[论文解读] Spectroscopic observation of the crossover from a classical Duffing oscillator to a Kerr parametric oscillator

T. Yamaji, Saya Kagami+7 more|arXiv (Cornell University)|Oct 6, 2020

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 41被引用 41

一句话总结

本研究通过调节直流-SQUID的磁通偏置，在单个超导电路中实现了从经典杜芬振子到量子Kerr参量振子（KPO）的连续过渡。通过控制Kerr非线性与光子损耗率的比值，该器件在低非线性时表现出经典行为，并过渡至单光子Kerr参量振荡区，其中出现具有确定0或π相位态的参量振荡，且可通过外部信号进行调控——为量子信息处理提供了潜在应用。

ABSTRACT

We study microwave response of a Josephson parametric oscillator consisting of a superconducting transmission-line resonator with an embedded dc-SQUID. The dc-SQUID allows to control the magnitude of a Kerr nonlinearity over the ranges where it is smaller or larger than the photon loss rate. Spectroscopy measurements reveal the change of the microwave response from a classical Duffing oscillator to a Kerr parametric oscillator in a single device. In the single-photon Kerr regime, we observe parametric oscillations with a well-defined phase of either $0$ or $\pi$, whose probability can be controlled by an externally injected signal.

研究动机与目标

• 研究通过调节非线性与光子损耗率的相对关系，实现参量振荡器在经典与量子行为之间的过渡。
• 在单一器件中观测并表征从经典杜芬振子到Kerr参量振荡器（KPO）的过渡。
• 在单光子Kerr参量振荡区展示相位可控的参量振荡，其中振荡相位（0或π）可被外部调控。
• 提供实验证据，证明在量子区中Kerr非线性导致的离散能级位移，从而实现精确的光谱校准。

提出的方法

• 使用嵌入直流-SQUID的超导传输线谐振器，实现具有可调Kerr非线性的约瑟夫森参量振荡器（JPO）。
• 直流-SQUID的磁通偏置控制Kerr非线性大小相对于总光子损耗率（κtot）的比值，从而实现从|K| < κtot（杜芬）到|K| > κtot（KPO）的连续过渡。
• 采用单 tone 和双 tone 光谱测量，分别获取共振频率偏移和跃迁能量偏移，作为探测功率和驱动频率的函数。
• 将器件冷却至稀释制冷机中的10 mK以下，以最小化热噪声并实现量子区工作。
• 理论建模采用哈密顿量 H/ℏ = ωr(f)a†a + K(f)/2 a†a†aa，其中K(f)为磁通可调且为负值，损耗率由输入-输出理论推导。
• 通过注入弱信号并跟踪0或π相位态的概率，测量参量振荡的相位锁定行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 当Kerr非线性相对于光子损耗率被调节时，约瑟夫森参量振荡器的微波响应如何演化？
• RQ2 单个器件是否可通过外部控制同时表现出经典杜芬振子行为和量子Kerr参量振荡器行为？
• RQ3 在超导谐振器中，单光子Kerr区与经典区的光谱特征有何区别？
• RQ4 在单光子Kerr参量振荡区，参量振荡的相位（0或π）能否被外部控制？
• RQ5 双 tone 光谱中离散能级位移如何证实量子区中强Kerr非线性的存在？

主要发现

• 在零磁通偏置（f = 0.00）时，器件表现出经典杜芬振子行为，共振频率偏移连续依赖于探测功率，证实|K| < κtot。
• 随着磁通偏置增加，系统进入单光子Kerr区，观测到双光子跃迁频率（ω02/2）的离散位移，表明|K| > κtot。
• 在单光子Kerr区，观测到具有确定0或π相位态的参量振荡，且每种相位态的概率可通过外部注入信号进行调控。
• 相位锁定在一系列信号功率下得到验证：在−89 dBm时，π态概率约为0.8；在−95 dBm时降至约0.5；在−101 dBm时降至约0.2。
• 在f = 0.00时测得的共振频率为ωr/2π = 11.742 GHz，κe/2π = 0.85 MHz，κi/2π = 1.01 MHz，证实损耗低且相干性高。
• 该器件在单一平台上实现了从经典到量子行为的连续过渡，支持跨区动力学的直接比较。