[论文解读] Quantum dynamics of a microwave resonator strongly coupled to a tunnel junction

Jérôme Estève, M. Aprili+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 6, 2018

Mechanical and Optical Resonators参考文献 1被引用 7

一句话总结

本文提出一种强耦合微波共振腔-隧道结系统，作为可调谐量子浴，用于调控态依赖的兰姆移位和量子跃迁。通过利用结的非线性电导率，实现单光子源的光子阻塞效应，并通过兰姆移位诱导的非线性实现无约瑟夫森结的量子比特，实现了高保真度的量子芝诺动力学，且相干时间仅受次能隙过程限制。

ABSTRACT

We consider the coupling of a single mode microwave resonator to a tunnel junction whose contacts are at thermal equilibrium. We derive the quantum master equation describing the evolution of the resonator field in the strong coupling regime, where the characteristic impedance of the resonator is larger than the quantum of resistance. We first study the case of a normal-insulator-normal junction and show that a dc driven single photon source can be obtained. We then consider the case of a superconductor-insulator-normal and superconductor-insulator-superconductor junction. There, we show that the Lamb shift induced by the junction gives rise to a nonlinear spectrum of the resonator even when the junction induced losses are negligible. We discuss the resulting dynamics and consider possible applications including quantum Zeno dynamics and the realization of a qubit.

研究动机与目标

• 为强耦合至隧道结的微波共振腔在强耦合 regime（Zc ~ RK）推导一个量子主方程。
• 证明结诱导的兰姆移位可在共振腔谱中产生强且无耗散的非线性。
• 在 λ² = 2 条件下，利用 NIN 结中的光子阻塞效应，实现直流驱动的单光子源。
• 表明 SIS 和 SIN 结可通过将共振腔动力学限制在低 Fock 子空间，实现量子芝诺动力学。
• 提出一种基于兰姆移位工程的无约瑟夫森结量子比特，具备可调非线性和长相干时间。

提出的方法

• 使用 Born-Markov 和约化近似，推导出共振腔密度矩阵的 Lindblad 形式量子主方程。
• 将结的接触建模为热浴，并在 Fock 基中用位移算符 exp[iλ(a + a†)] 表达跃迁算符 Al。
• 计算作为结类型和直流偏置电压 V 函数的态依赖兰姆移位 εl 和跃迁速率 γl。
• 利用主方程模拟驱动下的时间演化，优化量子芝诺动力学的保真度。
• 调节耦合参数 λ 和偏置电压 V，将动力学限制在 n_c Fock 态，并工程化量子比特非线性。
• 分析电压噪声引起的退相干，并在实际噪声模型下估计相干时间。

实验结果

研究问题

• RQ1 强耦合的共振腔-结系统是否能表现出态依赖的兰姆移位和量子跃迁，从而实现新型量子控制协议？
• RQ2 结类型（NIN、SIN、SIS）如何影响共振腔谱中非线性的出现？
• RQ3 在 λ² = 2 条件下，是否可在 NIN 结中实现光子阻塞，从而实现确定性的单光子源？
• RQ4 能否在强耦合结耦合的共振腔中实现量子芝诺动力学，其保真度可达多少？
• RQ5 能否通过兰姆移位工程实现无约瑟夫森结的量子比特，其相干特性如何？

主要发现

• 在 λ² = 2 的 NIN 结中实现单光子源，当已有光子存在时，第二光子吸收被阻塞。
• 对于 SIS 和 SIN 结，由于超导能隙导致电导率急剧增加，兰姆移位产生强且无耗散的非线性。
• 在 |eV| = 5ℏΩ 和 λ² = 4.8 条件下，实现量子芝诺动力学，保真度达 0.92（SIN）和 0.96（SIS），且在 λ² = 2 时仍保持高保真度。
• 实现无约瑟夫森结量子比特，n_c = 2，λ² = 2 时非线性 U = Ω/20，γ₀ = Ω/2，实际噪声下退相干率 ~10⁻⁴ s⁻¹。
• 该量子比特的相干时间并非由结诱导的损耗限制，而是由次能隙过程（如 Andreev 散射）限制，仍可能实现高相干性。