[论文解读] Quantum Simulation of the Fermion-Boson Composite Quasi-Particles with a Driven Qubit-Magnon Hybrid Quantum System

Yi-Pu Wang, Guo‐Qiang Zhang+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2019

Mechanical and Optical Resonators参考文献 50被引用 10

一句话总结

该论文展示了一个在三维微波腔中实现的驱动量子比特-磁振子混合系统，其中超导transmon量子比特通过虚腔光子与YIG球体中的磁振子强耦合。该系统实现了双重 dressed 态，模拟了费米子-玻色子复合准粒子，实验测得的能级劈裂在宽范围驱动功率下与理论预测高度一致，实现了对粒子-空穴对称费米子-玻色子系统的量子模拟。

ABSTRACT

We experimentally demonstrate strong coupling between the ferromagnetic magnons in a small yttrium-iron-garnet (YIG) sphere and the drive-field-induced dressed states of a superconducting qubit, which gives rise to the double dressing of the superconducting qubit. The YIG sphere and the superconducting qubit are embedded in a microwave cavity and the effective coupling between them is mediated by the virtual cavity photons. The theoretical results fit the experimental observations well in a wide region of the drive-field power resonantly applied to the superconducting qubit and reveal that the driven qubit-magnon hybrid quantum system can be harnessed to emulate a particle-hole-symmetric pair coupled to a bosonic mode. This hybrid quantum system offers a novel platform for quantum simulation of the composite quasi-particles consisting of fermions and bosons.

研究动机与目标

• 实现一个结合超导量子比特与YIG球体中磁振子的混合量子系统，用于量子模拟。
• 展示通过虚腔光子介导的驱动量子比特dressed态与磁振子之间的强耦合。
• 在共振驱动下，探索费米子态的量子比特与玻色子磁振子之间复合准粒子的涌现行为。
• 提供一个可调平台，用于模拟具有可调费米子特性的粒子-空穴对称费米子-玻色子系统。

提出的方法

• 将3D transmon量子比特和YIG球体分别置于矩形微波腔TE102模的电场反相点和磁场反相点。
• 共振微波驱动场使量子比特发生相干dressing，形成Rabi频率为Ωd ∝ √Pd的dressed态。
• 虚腔光子介导了驱动量子比特与磁振子之间的有效耦合，导致双重dressed混合正常模式的形成。
• 理论建模采用一个描述费米子对与玻色子模耦合的粒子-空穴对称系统的哈密顿量，耦合强度为gqm，磁振子数为N。
• 通过解析推导，混合模式之间的频率劈裂为ω4−ω1 = Ωd/2 + [(Ωd/2)² + (2gqm√(N+1))²]^1/2 和 ω3−ω2 = −Ωd/2 + [(Ωd/2)² + (2gqm√(N+1))²]^1/2。
• 实验数据通过理论模型进行拟合，假设N=0且Ωd = k√Pd，得到k = 103 MHz/mW^1/2，高功率下偏差表明存在磁振子激发。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过虚腔光子介导，驱动的超导量子比特能否与YIG球体中的磁振子强耦合，形成双重dressed态？
• RQ2 由此产生的混合模式是否表现出粒子-空穴对称性，并作为复合费米子-玻色子准粒子行为？
• RQ3 在强驱动 regime 下，有效耦合强度与模式劈裂如何随驱动功率变化？
• RQ4 在高驱动功率下，系统行为在多大程度上偏离了N=0基态假设？

主要发现

• 实验透射谱在共振驱动下显示出清晰的镜像对称性，并出现四个明显的吸收凹陷，证实了双重dressed态的形成。
• 随着驱动功率增加，频率劈裂ω4−ω1增大，ω3−ω2减小，与公式(4)的理论预测一致。
• 在低驱动功率下，数据与假设N=0的理论模型拟合良好，拟合参数k = 103 MHz/mW^1/2，用于描述驱动幅度的标度关系。
• 在高驱动功率下，N=0模型与实验出现偏差，表明腔内存在显著的磁振子激发与热效应。
• 双重dressed态表现出可调的费米子特征，其行为取决于混合模式中磁振子的贡献。
• 该系统成功模拟了粒子-空穴对称的费米子-玻色子耦合系统，实现了对复合准粒子的量子模拟。