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关于电路量子电动力学系统中光子自由度的消除方案

孟建宇 王培月 冯伟 杨国建 李新奇

关于电路量子电动力学系统中光子自由度的消除方案

孟建宇, 王培月, 冯伟, 杨国建, 李新奇
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  • 基于超导传输线和超导量子比特相互耦合的电路量子电动力学(quantum Electrodynamics, QED)系统, 是目前固态量子信息领域的一个倍受关注的物理系统, 也是研究量子测量和量子控制的理想实验平台. 由于其中涉及的驱动场和超导传输线谐振腔支持的光子频率都在微波区, 在量子测量和量子控制研究中往往遇到 大量光子数引起的状态空间维数过大带来的数值模拟方面的困难. 为了避免这个困难, 往往采取"消除"光子自由度的办法, 建立一个只保留量子比特状态自由度的有效描述方案. 本文通过对单比特的量子测量动力学的数值模拟, 检验了 "绝热消除"和"极化子变换"两种方案的适用条件. 结果表明, 在量子非破坏(quantum non-demolition, QND) 测量情况下, 极化子变换精确适用于 任意驱动强度和任意(光子)泄漏速率微腔; 但在非QND测量情况下, 极化子变换相对通常的绝热消除方案, 并无优势. 在强泄漏微腔和弱耦合情况下, 两种消除光子自由度的方法都可以较好地描述 测量动力学; 但如果微腔光子泄漏速率不是很大或量子比特与微腔耦合较强, 则需要纳入光子自由度做完整模拟, 此时的量子测量属性是一个尚待研究的课题.
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 101202101, 10874176)和国家重点基础研究发展计划(批准号: 2011CB808502, 2012CB932704)资助的课题.
    [1]

    Blais A, Huang R S, Wallraff A, Girvin S M, Schoelkopf R J 2004 Phys. Rev. A 69 062320

    [2]

    Wallraff A, Schuster D I, Blais A, Frunzio L, Huang R S, Majer J, Kumar S, Girvin S M, Schoelkopf R J 2004 Nature 431 162

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    Haroche S, Kleppner D 1989 Phys. Today 24

    [4]

    Schuster D I, Houck A A, Schreier J A, Wallraff A, Gambetta J M, Blais A, Frunzio L, Majer J, Johnson B, Devoret M H, Girvin S M, Schoelkopf R J 2007 Nature 445 515

    [5]

    Houck A A, Schuster D I, Gambetta J, Schreier J A, Johnson B R, Chow J M, Frunzio L, Majer J, Devoret M H, Girvin S M, Schoelkopf R J 2007 Nature 449 328

    [6]

    Hofheinz M, Weig E M, Ansmann M, Bialczak R C, Lucero E, Neeley M, O'Connell A D, Wang H, Martinis J M, Cleland A N 2008 Nature 454 310

    [7]

    Leek P J, Fink J M, Blais A, Bianchetti R, Gppl M, Gambetta J M, Schuster D I, Frunzio L, Schoelkopf R J, Wallraff A 2007 Science 318 1889

    [8]

    Astafiev O, Inomata K, Niskanen A O, Yamamoto T, Pashkin Y A, Nakamura Y, Tsai J S 2007 Nature 449 588

    [9]

    Schuster D I, Wallraff A, Blais A, Frunzio L, Huang R S, Majer J, Girvin S M, Schoelkopf R J 2005 Phys. Rev. Lett. 94 123602

    [10]

    Gambetta J, Blais A, Schuster D I, Wallraff A, Frunzio L, Majer J, Devoret M H, Girvin S M, Schoelkopf R J 2006 Phys. Rev. A 74 042318

    [11]

    Majer J, Chow J M, Gambetta J M, Koch J, Johnson B R, Schreier J A, Frunzio L, Schuster D I, Houck A A, Wallraff A, Blais A, Devoret M H, Girvin S M, Schoelkopf R J 2007 Nature 449 443

    [12]

    Sarovar M, Goan H S, Spiller T P, Milburn G J 2005 Phys. Rev. A 72 062327

    [13]

    Liu Z, Kuang L, Hu K, Xu L, Wei S, Guo L, Li X Q 2010 Phys. Rev. A 82 032335

    [14]

    Feng W, Wang P, Ding X, Xu L, Li X Q 2011 Phys. Rev. A 83 042313

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    Wiseman H M, Milburn G J 1993 Phys. Rev. A 47 642

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    Gambetta J, Blais A, Boissonneault M, Houck A A, Schuster D I, Girvin S M 2008 Phys. Rev. A 77 012112

    [17]

    Hutchison C L, Gambetta J M, Blais A, Wilhelm F K 2009 Can. J. Phys. 87 225

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    Makhlin Y, Schön G, Shnirman A 2001 Rev. Mod. Phys. 73 357

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    Korotkov A N, Averin D V 2001 Phys. Rev. B 64 165310

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    Li X Q, Cui P, Yan Y J 2005 Phys. Rev. Lett. 94 066803

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    Wiseman H M, Milburn G J 2010 Quantum Measurement and Control (Cambridge: Cambridge University Press)

    [25]

    Ruskov R, Korotkov A N 2002 Phys. Rev. B 66 041401(R)

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    Jin J S, Li X Q, Yan Y J 2006 Phys. Rev. B 73 233302

  • [1]

    Blais A, Huang R S, Wallraff A, Girvin S M, Schoelkopf R J 2004 Phys. Rev. A 69 062320

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    [26]

    Jin J S, Li X Q, Yan Y J 2006 Phys. Rev. B 73 233302

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出版历程
  • 收稿日期:  2011-12-27
  • 修回日期:  2012-03-13
  • 刊出日期:  2012-09-05

关于电路量子电动力学系统中光子自由度的消除方案

  • 1. 北京师范大学物理系, 北京 100875
    基金项目: 

    国家自然科学基金(批准号: 101202101, 10874176)和国家重点基础研究发展计划(批准号: 2011CB808502, 2012CB932704)资助的课题.

摘要: 基于超导传输线和超导量子比特相互耦合的电路量子电动力学(quantum Electrodynamics, QED)系统, 是目前固态量子信息领域的一个倍受关注的物理系统, 也是研究量子测量和量子控制的理想实验平台. 由于其中涉及的驱动场和超导传输线谐振腔支持的光子频率都在微波区, 在量子测量和量子控制研究中往往遇到 大量光子数引起的状态空间维数过大带来的数值模拟方面的困难. 为了避免这个困难, 往往采取"消除"光子自由度的办法, 建立一个只保留量子比特状态自由度的有效描述方案. 本文通过对单比特的量子测量动力学的数值模拟, 检验了 "绝热消除"和"极化子变换"两种方案的适用条件. 结果表明, 在量子非破坏(quantum non-demolition, QND) 测量情况下, 极化子变换精确适用于 任意驱动强度和任意(光子)泄漏速率微腔; 但在非QND测量情况下, 极化子变换相对通常的绝热消除方案, 并无优势. 在强泄漏微腔和弱耦合情况下, 两种消除光子自由度的方法都可以较好地描述 测量动力学; 但如果微腔光子泄漏速率不是很大或量子比特与微腔耦合较强, 则需要纳入光子自由度做完整模拟, 此时的量子测量属性是一个尚待研究的课题.

English Abstract

参考文献 (26)

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