物理体系:超导量子电路系统

超导量子电路系统是基于约瑟夫森效应的一种新型人工量子系统。相对于其它量子系统,超导量子电路系统具有调控的灵活性以及可集成扩展性的优势,易于以较强的相互作用强度与其它的系统进行耦合。基于该系统,人们已经展示了量子光学和原子物理中的各种非经典现象,尤其在量子计算、量子探测等领域,超导量子电路系统发挥着重要的作用。超导量子电路系统在量子调控领域已经取得了丰富的成果,并被广泛地认为是一个性能良好的量子调控平台。

量子电路系统另一个优势就是能很好的跟其它量子系统进行耦合,形成量子混合电路系统。其中,超导混合电路系统同时继承了超导系统和子其它系统的优良特点,也规避了各自的弱点,形成了适合多种需求的量子平台。例如,将超导比特和微波腔耦合起来,是优良的量子电动力学系统;将超导比特和机械谐振子组合起来,可以形成量子的微机电结构系统,可以用于量子信号的测量、调控和信息传递;超导量子器件和相干时间较长的自旋系统耦合起来,可作为优良的信息存储器件,也可以作为精密磁测量的工具。基于超导比特的混合系统的制备已经是一个成熟的研究领域,世界上有很多研究机构已展开了这方面的研究。我们重点关注超导量子系统,及与其它系统组成的混合系统的量子相干调控的各种性质,及可能的潜在应用。


 

研究课题:声子调控和纵向耦合

 我的研究领域集中在混合量子电路系统中各种量子调控问题。将量子电路系统与机械谐振子、表面声学波和自旋色心等耦合起来会形成各式各样的混合量子电路系统。基于这些系统,我们可以对量子化的电磁场、振动以及自旋进行更好的调控,现在和预备进行的研究课题如下:

 

1. 在单量子水平操控声子

声子广泛存在于局域振子、表明声学波腔和自由声波中。在量子层面上操控声子是非常有意义的。比如,由于声学模式的传播速度较慢,我们可以将量子信息存储在声子中。另外在量子水平上实现极微小的振动测量可以极大地提高精密测量水平。但是由于声学模式通常和嘈杂的振动热库耦合,其退相干速率较快。我们试图将机械声子和超导量子电路耦合起来。由于处于极低温,其热涨落可以有效地被压制。通过超导量子电路系统实现对声子的间接操控。

在图(a)中,我们提出了将含有振动模式的碳纳米管和磁通比特耦合起来的方案。基于这个混合系统,可以利用耗散和暗态操控的手段,把机械谐振子制备到一个宏观的量子叠加态(薛定谔猫态)上。【Phys. Rev. B 95, 205415 (2017))]

在图(b)中,我们构造了一个反光机械系统。相比于光压作用在可移动镜子上的光机械系统,反光机械系统中光场和振动模式交换了位置。我们可以将其理解为声压作用在光学模式的场算符上。这可以通过参量耦合的形式实现。基于该系统,我们可以实现振动模式的放大和参数调控。

2. 基于纵向耦合的超导量子调控

近些年来,一些超导量子调控的理论和实验工作开始关注纵向耦合的动力学过程。相对于横向耦合的拉比模型,纵向耦合虽然没有一阶的能量和态转移过程,但是它有着自己的特点和优势。例如纵向耦合中没有Purcell效应,并且可以形成任意阶的边带过程。[Phys. Rev. A 96, 063820 (2017)]

在(a)图中,我们发现如果两个比特和一个微波腔纵向耦合,偶极-偶极相互作用的反旋波项纯粹量子效应是可以观测到的。这正对应这一个光子同时激发两个原子的过程。在(b)图中,我们发现一个能隙可调的磁通比特的SQUID回路中存在电流。而这个电流正好正比于能隙可调的敏感度。考虑这个电流和一个频率可调的微波腔相互作用,我们可以实现比特-腔的直接色散耦合。基于这个事实,我们可以实现无Purcell效应的比特非破坏测量。

 

近期拟研究问题

1. 超强耦合基态虚激发子的非破坏测量

超强耦合的量子电动力学系统(QED)是近几年量子调控领域的研究热点,它和弱耦合QED系统有着显著的区别。研究超强耦合系统本征态性质和动力学特性,对量子光学和量子信息处理等应用领域研究内容的扩展有重要的意义。有研究发现,超强耦合系统的基态中包含无法自发辐射出的虚光子和比特虚激发态。实现这些虚激发子的观测,是超强耦合QED研究中的一个基本问题。最新的研究证据表明,参数调制耦合可以实现较好的非破坏测量,在提高测量精度上有重大应用潜力。基于超导量子电路系统。我们尝试利用参数调制耦合来实现超强耦合QED系统中基态虚激发子的测量。我们的目标是在理论上构造对应的调制耦合测量系统。通过分析,找到提高虚光子测量信噪比的方法。

 

2. 超导(微波)-光子频率转换器

量子信息是一个复杂的系统工程,其中包括信息的处理、分发、传输和存储。根据当前的研究进展,这些过程不太可能基于某一个特定的量子系统实现。最有可能的是根据每一个具体需求设计对应的量子体系。这就需要量子信息在不同系统和频率之间转化,这对应着量子转化器。在未来的研究中,我们希望能找出超导量子体系对应的微波频段和光波以及声波之间的有效转化手段。