[论文解读] Selection rules in a strongly coupled qubit-resonator system

Thomas M. Niemczyk, Frank Deppe+12 more|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2011

Semiconductor Lasers and Optical Devices被引用 3

一句话总结

该论文通过调节超导量子比特的磁通偏置，实验演示了在强耦合超导量子比特-谐振器系统中对选择定则的调控，实现了单光子和双光子跃迁的共存。通过在极低谐振腔激发条件下直接从双光子谱中提取真空耦合强度，证实了强耦合，并验证了电路量子电动力学中的理论预测。

ABSTRACT

Superconducting qubits acting as artificial two-level atoms allow for controlled variation of the symmetry properties which govern the selection rules for single and multiphoton excitation. We spectroscopically analyze a superconducting qubit-resonator system in the strong coupling regime under one- and two-photon driving. Our results provide clear experimental evidence for the controlled transition from an operating point governed by dipolar selection rules to a regime where one- and two-photon excitations of the artificial atom coexist. We find that the vacuum coupling between qubit and resonator can be straightforwardly extracted from the two-photon spectra where the detuned two-photon drive does not populate the relevant resonator mode significantly.

研究动机与目标

• 研究超导量子比特-谐振器系统中的对称性破缺如何改变单光子和多光子跃迁的选择定则。
• 展示系统从受偶极选择定则主导的行为，过渡到双光子激发可被访问的区域。
• 在谐振腔占据数极低的条件下，从双光子光谱数据中提取真空耦合强度 $ g $。
• 验证 Jaynes-Cummings 哈密顿量在描述多光子驱动下强耦合系统时的适用性。
• 建立一种利用非共振双光子驱动测量在 dispersive regime 下耦合速率的方法。

提出的方法

• 在强耦合 regime 下，采用磁通可调超导量子比特与共面波导（CPW）谐振器耦合。
• 使用偏离谐振器模式频率的微波驱动进行单光子和双光子光谱测量，以最小化谐振腔激发。
• 利用非共振双光子光谱测量提取量子比特-谐振器耦合速率 $ g $，其依据是驱动不会显著占据谐振器模式。
• 通过分析透射谱识别真空拉比劈裂和反交叉，证实强耦合。
• 施加磁通偏置 $ ilde{ heta} $ 以调节量子比特能级劈裂并打破对称性，使双光子跃迁成为可能。
• 将测得的能量谱拟合至 Jaynes-Cummings 哈密顿量，以提取 $ g $、$ \gamma $ 和 $ \kappa $。

实验结果

研究问题

• RQ1 调节超导量子比特的磁通偏置如何影响单光子和双光子跃迁的选择定则？
• RQ2 在强耦合的量子比特-谐振器系统中，双光子激发能否被相干地访问，其对称性条件是什么？
• RQ3 当谐振腔未被显著占据时，真空耦合强度 $ g $ 是否能可靠地从双光子光谱中提取？
• RQ4 系统的行为如何从偶极选择定则主导的区域，过渡到单光子与双光子激发路径共存的区域？
• RQ5 从双光子光谱提取的耦合速率与从单光子透射谱和光谱测量中提取的速率之间，其定量一致性如何？

主要发现

• 系统表现出从偶极选择定则主导行为到单光子与双光子激发共存区域的清晰转变，该转变由磁通调制控制。
• 测得的真空拉比劈裂为 $ \tilde{g}_3 / 2\pi = 77.4\,\text{MHz} $，经混合角 $ \sin\theta \approx 0.89 $ 修正后，得到耦合强度 $ g_3 / 2\pi \approx 87.0\,\text{MHz} $。
• 从光谱信号的半高全宽（FWHM）中提取出的量子比特退相干率 $ \gamma / 2\pi \approx 43\,\text{MHz} $，与单光子光谱测量结果一致。
• 由于非共振驱动未显著占据谐振器模式，双光子光谱实现了对 $ g $ 的清晰提取，有效避免了谐振腔引起的展宽。
• 在谐波极限下，$ \omega_s = \omega_3 / 2 $ 处未观测到与磁通无关的特征，证实对称情况下多光子跃迁被抑制。
• 双光子谱中观测到的反交叉是强耦合的直接证据，分辨的真空拉比劈裂证实了量子比特与谐振器之间的相干能量交换。