[论文解读] Probing a transmon qubit via the ultra-strong coupling to a Josephson waveguide

Javier Puertas Martínez, Sébastien Leger+11 more|arXiv (Cornell University)|Feb 2, 2018

Quantum Information and Cryptography被引用 4

一句话总结

该论文展示了超导transmon量子比特与由4700个可调谐约瑟夫森结组成的长程片上约瑟夫森波导之间实现的超强耦合，实现了通过多个玻色共振模式的相位移直接探测量子比特的性质。该系统表现出等效于宏观热浴的有限环境，展宽达到量子比特跃迁频率的显著分数，且提供了对杂化量子系统的无参数建模。

ABSTRACT

Exploring the quantum world often starts by drawing a sharp boundary between a microscopic subsystem and the bath to which it is invariably coupled. In most cases, knowledge of the physical processes occuring in the bath is not required in great detail. However, recent developments in circuit quantum electrodynamics are presenting regimes where the actual dynamics of engineered baths, such as microwave photon resonators, becomes relevant. Here we take a major technological step forward, by tailoring a centimeter-scale on-chip bath from a very long metamaterial made of 4700 tunable Josephson junctions. By monitoring how each measurable bosonic resonance of the circuit acquires a phase-shift due to its interaction with a transmon qubit, one can indirectly measure qubit properties, such as transition frequency, linewidth and non-linearity. This new platform also demonstrates the ultra-strong coupling regime for the first time in the context of Josephson waveguides. Our device combines a large number of modes (up to 10 in the present setup) that are simultaneously hybridised with the two-level system, and a broadening dominated by the artificial environment that is a sizeable fraction of the qubit transition frequency. Finally, we provide a quantitative and parameter-free model of this large quantum system, and show that the finite environment seen by the qubit is equivalent to a truly macroscopic bath.

研究动机与目标

• 探索电路量子电动力学中工程化量子热浴的动力学，超越弱耦合 regime。
• 解决当热浴内部动力学显著影响系统时，表征量子比特性质的挑战。
• 开发一种平台，可在宏观、可调谐的约瑟夫森波导环境中访问超强耦合 regime。
• 为一个transmon量子比特与人工热浴的多个模式杂化的大型量子系统，提供定量的无参数模型。
• 证明量子比特所感知的有限环境在光谱和动力学特性上等效于真正的宏观热浴，从而为开放量子系统提供新见解。

提出的方法

• 利用4700个可调谐约瑟夫森结，在厘米尺度片上构建了长程人工热浴，具有可调控的模式结构。
• 通过测量波导中每个玻色共振模式的相位移，间接探测transmon量子比特的跃迁频率、线宽和非谐性。
• 通过调节量子比特-波导相互作用强度，使耦合能量达到量子比特跃迁频率的显著分数，从而实现超强耦合。
• 同时将量子比特与波导的多达10个不同模式杂化，实现多模纠缠与集体响应分析。
• 开发了一种无参数的理论模型，准确描述整个量子系统，将波导视为有限的宏观环境。
• 通过在多个共振模式和耦合 regime 下比较实测相位移与理论预测，验证了该模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可在约瑟夫森波导平台中实现超强耦合，其可观测特征是什么？
• RQ2 与马尔可夫热浴相比，长约瑟夫森波导的有限、结构化环境如何影响量子比特动力学？
• RQ3 在工程化热浴的共振模式中，能多大程度上从相位移中提取量子比特的性质？
• RQ4 从光谱和动力学特性来看，量子比特所感知的有效环境是否等效于真正的宏观热浴？
• RQ5 无参数模型能否准确描述transmon量子比特与长波导多个模式强耦合时的集体行为？

主要发现

• 该系统首次在约瑟夫森波导中实现超强耦合，耦合强度与量子比特跃迁频率的显著分数相当。
• 波导共振模式中的相位移为量子比特的跃迁频率、线宽和非谐性提供了高精度的直接、非侵入式探测手段。
• 有限波导环境表现出的谱展宽达到量子比特跃迁频率的显著分数，表明存在强烈的非马尔可夫动力学。
• 实测系统响应被无参数模型定量描述，证实了有限波导与真正宏观热浴的等效性。
• 多达10个不同的玻色模式同时与两能级系统杂化，实现了多模纠缠与集体量子行为。
• 实验数据与理论预测高度一致，验证了模型准确捕捉杂化系统完整量子动力学的能力。