Many-body quantum optics in a cascaded chiral network

技術要約：カスケード型カイラルネットワークにおける多体量子光学

問題提起
カイラル量子エミッターは、光を特定の伝搬方向にのみ相互作用させる性質を持ち、理論的に新しい多体レジームの光と物質の存在が予測されている。これらのシステムは、光によって媒介される秩序ある一方向性の相互作用を可能にし、双方向的な（相反的な）システムでは到達不可能な、もつれ状態の安定化や光子束縛状態の形成を実現する。しかし、実験的な実現は、エミッターとバス（環境）の界面に対する極めて厳しい要求によって阻まれてきた。すなわち、エミッターはほぼ単一の確率で一方向のみに結合し、他のすべての減衰チャネルを抑制しなければならない。従来の構成では、大きなトレードオフに直面していた。光学系はしばしば周波数分散や確率的な結合に悩まされ、マイクロ波実装は、損失、周波数混雑、および嵩高いオフチップ・コンポーネントの使用により、1つまたは2つのエミッターに限定されていた。さらに、複合的な界面は単一光子領域を超えた方向性を失うことがあり、強い非線形多体ダイナミクスへのアクセスを妨げていた。

手法
著者らは、共有マイクロ波導波路に結合された4つの超伝導量子ビットからなる、決定論的なカスケードネットワークを実現した。このアーキテクチャは、以下の設計上の選択を通じて、これまでの制限に対処している。

• デバイスアーキテクチャ： システムは、45 cmの超伝導アルミニウムケーブルで接続された2つのデバイスチップで構成され、4量子ビットのチェーンを形成している。各チップには、2つの異なる点において結合共振器アレイ（CCA）導波路に結合した「ジャイアント・アトム」エミッター（トランスモン量子ビット）が含まれている。
• カイラル結合メカニズム： 方向性は、CCA内に埋め込まれた磁束可変カプラーのパラメトリック駆動によって達成される。カプラーの周波数を変調することで、エミッター・カプラー・ループ内に合成ゲージ場が生成され、時間反転対称性が破れる。これにより、結合に特定の位相（$\phi_L$ および $\phi_R$）が付与され、高Purcell係数（$P_{1D} \sim 20$）と方向性比（$\eta_d \sim 10^2$）を持つ一方向性の放出が実現される。
• スケーラビリティの解決策： 周波数混雑を引き起こす専用のスペクトルフィルタを使用する代わりに、著者らはチューナブル・カプラーをCCA内に直接組み込んだ。アレイのバンドギャップが寄生的なサイドバンドを自然に抑制するため、コヒーレンスや方向性を損なうことなく、複数のエミッターを配置することが可能となる。
• 実験プロトコル：
  • 弾性的散乱： 弱いコヒーレント駆動を用いて透過率と位相蓄積を測定し、システムのカスケード性を検証した。
  • 駆動散逸的安定化： 導波路への集団的な減衰を利用するために、チェーンに連続的なマイクロ波トーンで駆動を与えた。量子ビットのデチューニングを調整することで、システムを特定の絡み合い定常状態（ダイマーまたは多体系状態）へと誘導した。
  • 光子ソーティング： 弱いコヒーレントパルスをチェーンに散乱させ、光子数に基づく出力光子の時間的なソーティングを観察した。これは、強い光子間相互作用の兆候である。

主要な貢献と結果

1. 決定論的なカスケードネットワークの実現： 著者らは、決定論的なカイラル結合を維持しながら、2つ以上のエミッターを持つカスケードネットワークの初の実験的実現を実証した。システムは、ミリメートル単位（オンチップ）から、ほぼ半メートル（ケーブル）に及ぶ。測定された透過率は個々の透過率の積（$t = \prod t_j$）に従い、$N$ 個の量子ビットに対して $2\pi N$ の位相蓄積を示す。
2. 再構成可能な絡み合いの安定化： カイラルチェーンにおける情報の逆流の欠如を利用することで、チームは2種類の異なる絡み合い定常状態を安定化させた。
   • ダイマー化状態： 特定のデチューニング（$\delta_1 = -\delta_2, \delta_3 = -\delta_4$）を設定することで、隣接する量子ビットペア（1-2および3-4）の間に有限のコンカレンスを生じさせつつ、ペア間の結合を遮断した。
   • 真の多体系絡み合い： デチューニングを再配置（$\delta_1 = -\delta_4, \delta_2 = -\delta_3$）することで、すべての量子ビットペア間に有限のコンカレンスを生じさせた。著者らは、真の多体系ネガティビティ（GMN）が $6.3 \times 10^{-2}$ であることを測定し、真の多体系絡み合いの存在を確認した。これは、通常はペアごとの絡み合いしかサポートしない相反的な導波路スキームでは到達不可能な領域である。
   • 方向性の検証： 上流のダイマーのダイナミクスが下流のダイマーの存在によって影響を受けないことが実験によって確認され、相互作用の一方向性が示された。
3. 光子束縛状態の観測： 弱いコヒーレントパルスを散乱させることにより、光子数によって時間的にソートされた光子を観察した。ウィグナー遅延（$\sim 1/n^2$）の光子数依存性により、多光子束縛状態は単一光子成分よりも早く到着した。測定された出力電場と相関関数（$G^{(1)}$ および $G^{(2)}$）は、2光子および3光子束縛状態に対応する明確なピークを示し、エミッターによって媒介される、強く分散された光子間相互作用の直接的な証拠を提供した。

意義
本論文は、カスケード型量子システムに対して予測されていた多体系の光・物質レジームへの初の実験的アクセスを提供すると主張している。損失、周波数混雑、および非線形性のボトルネックを克服することで、本研究は以下の探索のためのプラットフォームを確立する。

• 物質レジーム： 純粋な多体系のダーク状態や、双方向的なシステムとは異なり、精密な位相・長さ整合を必要としないトポロジカルに秩序立った状態の安定化。
• 光レジーム： 相関のある多光子輸送および光子束縛状態の生成。これらは、フォトニック量子論理や計量学のリソースとして機能する。

著者らは、本研究を、モジュール型超伝導量子コンピューティング（走行光子による全対全結合を介したもの）の発展、およびより大きなカイラルアレイにおける創発的な多体系現象の探求への具体的な入り口として位置づけている。現在のPurcell係数は熱的な導波路占有率によって制限されているものの、実証されたアーキテクチャは、数十のエミッターへとスケールアップし、カスケードシステムの完全な多体系ランドスケープへアクセスするための必要な基礎を提供している。