多模光力超导电路中非线性效应的增强和探测

Benefiting from the development of semiconductor technology and nanotechnology, optomechanical systems have become a popular candidate for exploring the quantum mechanical behavior of macroscopic objects and sensitive measurements. In these systems, the coupling between the single photon and the mechanical mode is essentially non-linear. And such nonlinear feature will trigger many interesting phenomena, such as non-classical states, photon blocking effect and so on. From the application point of view, it is crucial for quantum information processing. Unfortunately, the nonlinear dynamics is very difficult to be detected and confirmed experimentally (which is limited by the weak single photon-mechanical mode coupling). In view of this, this project proposes a multi-mode optomechanical superconducting circuit in which stronger non-linear effects occur. Using the proposed scheme, we expect that nonlinear effects of the system can be enhanced. Besides, we propose to detect the nonlinear property using a biased-voltage Josephson junction. Based on this, we further explore its nonlinear dynamic behavior. We will focus on the following three issues: i) verify our theoretical proposal. The key task is to figure out the optimum system parameters using which we maximize the nonlinear effect of the cavity optomechanical ring. ii) study how to improve the sensitivity of measuring the nonlinear characteristic. We will compute the current-voltage characteristics of the probed Josephson junction; iii) explore the quantum many-body problems in the multi-mode optomechanical superconducting circuit. We will study the photon-photon interactions and the non-classical state of phonons induced by the nonlinear interactions.

受益于半导体工艺和纳米技术的发展，光力系统已成为研究宏观量子力学行为、精密测量的热门候选者。在该系统中，单光子与力学模式的耦合本质上是非线性的。而非线性会激发非经典态、光子阻塞等有趣现象。从应用角度来看，它对于量子信息处理至关重要。令人遗憾的是，这些非线性特征很难被实验探测和证实（受限于微弱的单光子-力学模式耦合）。鉴于此，本项目提出在多模光力超导电路中实现强的非线性效应。运用该方案，我们预期系统的非线性特征能够得到增强。此外，我们提出用约瑟夫森结来探测系统的非线性特性。在此基础上，进一步探究系统的非线性动力学行为。本项目专注解决: i）验证理论方案。重点探讨如何选取参数，可以让超导电路的非线性效应达到最强；ii）研究如何提高非线性特性测量的灵敏度。我们会计算、分析约瑟夫森结的电流-电压特征；iii）在多模光力超导电路中探究量子多体问题。重点研究非线性相互作用诱发的光子间的相互作用。

受益于半导体工艺和纳米技术的发展，光力系统已成为研究宏观量子力学行为、精密测量的热门候选者。在该系统中，单光子与力学模式的耦合本质上是非线性的。而非线性会激发非经典态、光子阻塞等有趣现象。从应用角度来看，它对于量子信息处理至关重要。令人遗憾的是，这些非线性特征很难被实验探测和证实（受限于微弱的单光子-力学模式耦合）。鉴于此，本项目提出在多模光力超导电路中实现强的非线性效应。此外，我们提出用约瑟夫森结来探测系统的非线性特性。第一，我们在三模腔光力系统中实现了非线性效应的增强。在线性区间下，三模系统等效为一个光学型的极化子和两个声学型的极化子。调节系统参数，非线性光-力相互作用使得两个声学型极化子发生相互作用，从而产生了增强的非线性效应。第二，研究用一个带偏压的约瑟夫森结来探测这种非线性效应。我们提出一种全新的方案来改进测量的灵敏度。首先光力超导电路与高阻抗传输线通过一个电容器耦合，然后在传输线上选取一个结点来连接一个带偏压的约瑟夫森结。实验上，通过测量约瑟夫森结的电流-电压特征，可以实现对光力超导电路非线性特性的探测。第三，研究多模光力电路中探究声子非经典态以及光子-光子间的相互作用。具体而言我们研究了光子间相互作用如何影响约瑟夫森结（探测器）的电流-电压特征曲线。我们发现多模光力超导电路中光子-光子间的相互作用也可以被探测。除此之外，我们还研究了几种高性能的超导电路设计方案。我们提出一个比特间无串扰的两量子比特超导电路、通过引入一个与量子比特纵场耦合的耦合器件实现对量子比特间 ZZ 寄生耦合的消除，以及通过同时引入“总线量子比特”和“耦合量子比特”,有望在超导电路平台中实现量子比特间的全连通量子计算。受益于上述成果和核心进展，除了让我们对光力系统中的非线性动力学有更加深入的理解之外，还会进一步促进量子信息处理领域的发展。