超伝導量子回路におけるフォック状態の生成

スピンシステムと高調波発振器は、量子力学の2つのアーキタイプを構成します。2つの量子エネルギーレベルを持つSpin-1/2システムは、本質的に自然界で最も非線形システムですが、高調波発振器は最も線形を表し、無限の数の均一な量子レベルがあります。これらのシステムの大きな違いは、2レベルのスピンを古典的な励起を使用して任意の量子状態で調製できるのに対し、発振器に適用される古典的な励起は、古典的な状態とほとんど見分けがつかないコヒーレント状態を生成することです。発振器の量子行動は、特定の数のエネルギー量子を持つ状態であるFOCK状態で最も明白ですが、そのような状態は作成が困難です。ここでは、ソリッドステートシステムでのマルチホトンフォック状態の制御された生成を示します。超伝導位相Qubitを使用します。これは、高調波発振器として機能するマイクロ波共振器に結合して、最大6つの光子で純粋なフォック状態を調製および分析するために、マイクロ波共振器に結合した2レベルのスピンシステムに近い近似です。私たちは、共振器に直接適用された古典的なパルスを使用して生成されたコヒーレント状態とフォック状態と比較します。

Spin systems and harmonic oscillators comprise two archetypes in quantum mechanics. The spin-1/2 system, with two quantum energy levels, is essentially the most nonlinear system found in nature, whereas the harmonic oscillator represents the most linear, with an infinite number of evenly spaced quantum levels. A significant difference between these systems is that a two-level spin can be prepared in an arbitrary quantum state using classical excitations, whereas classical excitations applied to an oscillator generate a coherent state, nearly indistinguishable from a classical state. Quantum behaviour in an oscillator is most obvious in Fock states, which are states with specific numbers of energy quanta, but such states are hard to create. Here we demonstrate the controlled generation of multi-photon Fock states in a solid-state system. We use a superconducting phase qubit, which is a close approximation to a two-level spin system, coupled to a microwave resonator, which acts as a harmonic oscillator, to prepare and analyse pure Fock states with up to six photons. We contrast the Fock states with coherent states generated using classical pulses applied directly to the resonator.