Quantum-Nondemolition Probing of Multiphoton Transitions between Dressed States in a Strongly Driven Jaynes--Cummings System

量子世界において、光と物質は単に互いに跳ね返り合うのではなく、両者が分かちがたく結びつき、もはや別々の存在ではなくなることがあります。この現象は、ジェインズ＝カミングス・モデルと呼ばれる有名なモデルによって記述されており、これは単一の原子と単一の光粒子（フォトロン）がどのように相互作用するかを示す設計図として機能します。これらが結合すると、「ドレス状態」として知られる新しいハイブリッド状態が形成されます。これをエネルギー準位の梯子（はしご）として想像してみてください。それぞれの段は、原子と光の場の特定の組み合わせを表しています。科学者たちは長らく、この梯子の最初の数段を見ることはできてきましたが、より高く登ろうとすると、その景色は遮られてしまいます。システムを可視化するために明るい光を当てるという行為そのものが、梯子の上の方にある繊細で複雑なステップを隠してしまう、目がくらむような眩しさを作り出してしまうのです。

中国科学技術大学の研究者たちは、今やこの眩しさの先を見通す方法を見つけ出しました。系を励起するために使用する光と、観測に使用する方法を分離することで、彼らは以前は目に見えなかった豊かな遷移構造を解明することに成功しました。彼らの研究は、強い力によって押し進められたときに、これらのハイブリッド状態がどのように振る舞うかを明らかにし、以前は禁止されていると考えられていた、あるいはあまりにも微弱すぎて見えないと思われていたステップを含む、複雑なエネルギー・ジャンプの景観を明らかにしました。この画期的な成果は、光と物質が最小スケールでどのように相互作用するかを支配する根本的な規則への、より明確な窓を提供します。

実験は、回路量子電磁力学（circuit QED）のセットアップで行われました。これは、トランスモン・量子ビットとして知られる超伝導人工原子が、マイクロ波共振器に結合しているプラットフォームです。従来の実験では、科学者はマイクロ波信号を共振器の中に送り込み、システムを駆動させ、その後、反対側から出てくる信号を測定します。この手法の問題は、強い駆動信号が膨大なバックグラウンドノイズを生み出すことであり、これはまるで、大きな扇風機が回っている部屋の中でささやき声を聞こうとするようなものです。このノイズは、システムのより高いエネルギー状態から来る繊細な信号をかき消してしまいます。これを解決するために、チームは、駆動信号と測定信号が完全に異なる経路を通る新しいアプローチを設計しました。彼らは強力なマイクロ波トーンを使用して共振器を駆動させる一方で、同時に、独立した別のレゾネーターを使用して、システムを乱すことなく量子ビットの状態を読み取る方法を用いました。「量子非破壊読み出し（quantum-nondemolition readout）」として知られるこの手法により、共振器が強く駆動されている間でも、高い感度で量子ビットの占有状態を検出することができ、事実上、バックグラウンドノイズを沈黙させることが可能になりました。

この手法を用いて、研究者たちは前例のない明晰さでシステムのエネルギー景観をマッピングしました。彼らは、マルチフォトロン遷移（システムが一度に複数のフォトロンを吸収して、あるドレス状態から別のドレス状態へジャンプする現象）に対応する、一連の鋭く明確なピークを特定しました。過去には、これらの遷移はしばしば単一の幅広な特徴へとぼやけてしまったり、駆動信号によって完全に隠されてしまったりしていました。この新技術は、これらの特徴が、実は同じ対称性（パリティ）を共有する状態間の遷移であることを明らかにしました。さらに、チームは、通常は抑制され、観察が極めて困難な、反対の対称性を持つ状態間のさらに弱い遷移をも検出しました。これらの知見は、このシステムが単なる二準位原子ではなく、熱エネルギーが遷移の出発点を占有する上で決定的な役割を果たす、複雑な多準位構造であることを裏付けています。

この研究では、研究者が意図的に量子ビットの周波数を共振器からデチューン（離調）させた場合に何が起こるかも調査されました。磁束を用いて量子ビットの周波数を調整することで、彼らはエネルギー準位がどのようにシフトし、相互作用するかを観察することができました。彼らは、エネルギー準位が互いに接近するものの、交差するのではなく反発し合う「回避交差（avoided crossings）」を観察しました。これは量子相互作用の特徴です。これらの条件下で、彼らは通常メインのアクションから遠く離れたレベルである、量子ビットの第2励起状態を含む遷移を観察しました。データは、これらの遷移の強さが、ドレス状態における量子ビットとフォトンの特定の混合具合に応じて変化することを示しました。研究者たちは、量子ビットの複数のエネルギー準位と、量子ビットと共振器の間のわずかな残留周波数差を含んだ理論計算と、実験結果を完璧に一致させることができました。

この研究の最も重要な側面の一つは、温度の役割です。絶対零度に近い実験の極低温下であっても、ごくわずかな熱エネルギーが残っています。研究者たちは、この小さな熱的占有が、励起状態から始まる遷移を見るために不可欠であることを発見しました。この熱的な「キック」がなければ、多くの興味深い特徴は見えないままだったでしょう。これを考慮に入れることで、彼らはスペクトルの中心付近で見られる幅広い活動の帯が、より高いエネルギーレベルから始まる重なり合った遷移の集合体であることを説明することができました。この洞察は、バイスタビリティやフォトブロック（光子封鎖）の崩壊といった他の効果に帰せられてきた、これまでの混乱を解消するのに役立ちます。

これらの遷移を解明する能力は、強く駆動された光・物質相互作用を研究するための新しい道を切り開きます。研究者たちは、駆動と読み出しを分離することで、一度のジャンプで7個以上のフォトロンを含む遷移など、以前はかき消されていた詳細を観察できることを実証しました。このレベルの詳細さは、ジェインズ＝カミングスの梯子をより精密に理解することを可能にします。この研究は、測定速度と帯域幅をさらに向上させることで、個々の量子ジャンプをリアルタイムで観察し、システムがどのように一つの状態から別の状態へと移動するかを追跡することが可能になる可能性を示唆しています。これは、これらのドレス状態の微視的なダイナミクスをより大規模な現象へと結びつけ、強く駆動された条件下での量子系の振る舞いに対する理解を深めることにつながります。この研究は、実験手法を洗練させることで、量子系の複雑さの層を剥ぎ取り、そこに常に存在していた構造の世界を明らかにするという、手法の力を示す証左となっています。