論文の概要: Near-ultrastrong nonlinear light-matter coupling in superconducting circuits

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2404.19199v2
• Date: Thu, 2 May 2024 18:07:39 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2024-05-06 16:58:34.616654
• Title: Near-ultrastrong nonlinear light-matter coupling in superconducting circuits
• Title（参考訳）: 超伝導回路における近距離非線形光物質結合
• Authors: Yufeng Ye, Jeremy B. Kline, Alec Yen, Gregory Cunningham, Max Tan, Alicia Zang, Michael Gingras, Bethany M. Niedzielski, Hannah Stickler, Kyle Serniak, Mollie E. Schwartz, Kevin P. O'Brien,
• Abstract要約: 超伝導人工原子とニアリニア共振器の非線形結合は, ほぼ超音速$chi/textmax(omega_a, omega_b)= (4.852pm0.006)times10-2$である。 このような光の非線形結合強度の進歩、物質モードは新たな物理レシエーションを可能にし、より高速な量子ビットの読み出しやゲートのような応用につながる可能性がある。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.2124988342031945
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: The interaction between an atom and an electromagnetic mode of a resonator is of both fundamental interest and is ubiquitous in quantum technologies. Most prior work studies a linear light-matter coupling of the form $g \widehat{\sigma}_x (\widehat{a} + \widehat{a}^\dagger)$, where $g$ measured relative to photonic ($\omega_a$) and atomic ($\omega_b$) mode frequencies can reach the ultrastrong regime ($g/\omega_{a}\!>\!10^{-1}$). In contrast, a nonlinear light-matter coupling of the form $\frac{\chi}{2} \widehat{\sigma}_z \widehat{a}^\dagger \widehat{a}$ has the advantage of commuting with the atomic $\widehat{\sigma}_z$ and photonic $\widehat{a}^\dagger\widehat{a}$ Hamiltonian, allowing for fundamental operations such as quantum-non-demolition measurement. However, due to the perturbative nature of nonlinear coupling, the state-of-the-art $\chi/\text{max}(\omega_a, \omega_b)$ is limited to $\!<\!10^{-2}$. Here, we use a superconducting circuit architecture featuring a quarton coupler to experimentally demonstrate, for the first time, a near-ultrastrong $\chi/\text{max}(\omega_a, \omega_b)= (4.852\pm0.006)\times10^{-2}$ nonlinear coupling of a superconducting artificial atom and a nearly-linear resonator. We also show signatures of light-light nonlinear coupling ($\chi\widehat{a}^\dagger\widehat{a}\widehat{b}^\dagger\widehat{b}$), and $\chi/2\pi = 580.3 \pm 0.4 $ MHz matter-matter nonlinear coupling ($\frac{\chi}{4}\widehat{\sigma}_{z,a}\widehat{\sigma}_{z,b}$) which represents the largest reported $ZZ$ interaction between two coherent qubits. Such advances in the nonlinear coupling strength of light, matter modes enable new physical regimes and could lead to applications such as orders of magnitude faster qubit readout and gates.
• Abstract（参考訳）: 原子と共振器の電磁モードの相互作用は基本的関心事であり、量子技術においてユビキタスである。 多くの先行研究は、$g \widehat{\sigma}_x (\widehat{a} + \widehat{a}^\dagger)$という形の線形光物質結合を研究しており、ここで、$g$はフォトニック(\omega_a$)およびアトミック(\omega_b$)モードの周波数は超強規則(g/\omega_{a}\! >\! 10^{-1}$)。 対照的に、$\frac{\chi}{2} \widehat{\sigma}_z \widehat{a}^\dagger \widehat{a}$ という形の非線形光物質結合は、原子$\widehat{\sigma}_z$ とフォトニック $\widehat{a}^\dagger\widehat{a}$ Hamiltonian との交換の利点があり、量子非破壊測定のような基本的な操作を可能にする。 しかし、非線形結合の摂動的性質のため、最先端の $\chi/\text{max}(\omega_a, \omega_b)$ は $\! <\! 10-2 ドル。 ここでは、クォートンカップラを特徴とする超伝導回路アーキテクチャを用いて、超伝導人工原子とニアリニア共振器との非線形結合を初めて実証する。 また、光の非線形結合 (\chi\widehat{a}^\dagger\widehat{a}\widehat{b}^\dagger\widehat{b}$) と$\chi/2\pi = 580.3 \pm 0.4 $ MHz matter-matter linear coupling (\frac{\chi}{4}\widehat{\sigma}_{z,a}\widehat{\sigma}_{z,b}$) のシグネチャを示す。 このような光の非線形結合強度の進歩、物質モードは新たな物理レシエーションを可能にし、より高速な量子ビットの読み出しやゲートのような応用につながる可能性がある。

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