基于超导人工原子的微波单光子探测

In the past two decades, with the development of quantum state manipulation and quantum measurement, a new class of engineered quantum systems emerges, such as quantum superconducting circuits, quantum dots and nano/micro-mechanical systems. In particular, the field of quantum circuits has made remarkably rapid progress and becomes one of most promising candidates for on-chip quantum computation thanks to its flexibility, long coherence time and extra strong coupling between light and matter. Single microwave photons, as information carriers of quantum superconconducting circuits, play a significant role in this field. However, due to their extremely low energy, the detection of single microwave photons is more challenging compared to their counterparts in the optical and infrared domains. So far, there have been a number of excellent pioneering theoretical proposals and experimental demonstrations towards this aim. Even though, a single-photon detector in the microwave photonics is still a missing piece. Therefore, in the project we aim to investigate the following two topics:.1) Non-absorbing detection of microwave photons based on the bistability induced by a single artificial superconducting atom; .2) Explore the mechanism of photon detection caused pulse distortion and design a model to compensate the fidelity loss of the photons under detection.

近二十年来，随着量子操控与测量技术的发展， 一系列新型的人工操控的固态量子系统，如超导量子电路、量子点、微纳机械振子等系统纷纷问世并取得了飞速的发展。其中，量子超导电路凭借其灵活可控性、良好的量子相干性及超强的光与原子相互作用等突出特性获得了广泛的关注，并已经跻身于最有潜力的量子计算机平台之一。作为量子超导电路的信息载体，微波光子，其源的制备、存储和探测则成为必不可少的环节。然而，由于微波光子频率较低，其探测相较可见和红外等高频光子的探测，更具挑战性。目前，这方面已有一些先驱性的理论和实验探索，但还是不够理想。鉴于此现状，本项目将展开以下的探索和研究：.1）通过单个超导人工原子诱导的光学双稳进行微波频率段的单光子无损探测，旨在利用简单可行的系统中将单微波光子探测的探测效率提高到95%以上；.2）探索测量引起的被测单光子的失真原因并设计补偿方案，提高被测信号的保真度。

近二十年来，随着量子操控与测量技术的发展，一系列新型的可人工操控的固态量子系统，如超导量子电路、微纳机械振子、量子点等系统纷纷问世，并取得了飞速的发展。这些固态量子系统具有极好的灵活可控性、优良的量子相干性及超强的光与物质相互作用强度，获得了广泛的关注与应用。本项目研究量子超导电路和光机械系统中噪声与非线性之间的相互影响，讨论如何让噪声对这些系统的响应和信号探测其起到正面的辅助作用。其中，我们主要利用随机共振能将噪声化敌为友的原理来增强系统对微弱信号的响应，从而起到增强和探测微弱信号的作用。具体来说，本项目研究的主要内容如下：.（1）我们在两类重要的量子系统（超导量子电路和光机械系统）中研究了纯量子噪声即真空涨落诱导的随机共振现象，并理论上实现了此过程对微弱信号的放大与优化。我们在研究中间薄膜型的光机械系统的随机共振现象时，首次数值上观测到了不同随机共振之间的拍现象。我们还研究了在参量不稳区的光力学系统的奇异随机共振现象。我们发现系统可以在纯噪声的作用下发生自持震荡与稳定态之间的随机跳跃，而且该跳跃可以通过随机共振协同到一个微弱信号上。该随机共振具有双共振峰，且具有抑制系统不稳的特征。.（2）在前面的研究基础上，我们将量子随机共振可以增强信号的原理应用到单量子水平信号的的探测上。我们在单个超导人工原子的系统中理论实现了单微波光子的高效探测，信噪比达到1.15。另外，我们在含有机械振动的耦合腔系统中研究了类电磁诱导透明现象，发现了透明窗口出现双稳、孤立支和自持震荡等有趣现象，且敏感地依赖于机械振动。于是，我们提出将此模型应用到提高弱力探测的灵敏度，在当前实验可行的参数下达到了10^(-16) N/Hz^1/2的灵敏度。