Vertial to real photon coversion in superconducting circuit

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 22K21294
• Research Category: Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: 1001:Information science, computer engineering, and related fields
• Research Institution: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (2023); Institute of Physical and Chemical Research (2022)
• Principal Investigator: Tomonaga Akiyoshi 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 量子・AI融合技術ビジネス開発グローバル研究センター, 研究員 (50966520)
• Project Period (FY): 2022-08-31 – 2024-03-31
• Keywords: 量子力学 / 量子コンピュータ / 超伝導量子回路 / マイクロ波量子光学

Outline of Final Research Achievements

We realized a three-level artificial atom-resonator interaction in ultrastrong coupling regime. The three-level artificial atom composed of capacitively shunted flux qubit which fabricated with superconducting thin film. By analyzing the spectrum using a circuit model Hamiltonian, we confirmed that both elements are indeed interacting in the ultrastrong coupling regime. Additionally, simulations using this model demonstrated that the coupling between each level of the three-level atom can be modified by changing the bias. We also constructed a system in which two qubits are ultrastrongly coupled to the resonator, and obtained the first experimental evidence of two atoms being simultaneously excited by a single photon in this system.

Free Research Field

量子電磁力学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

超強結合系は、自然原子を用いて実現するのは非常に難しく超伝導回路による人工原子の双極子モーメントの大きさや回路故の電場密度の高さが可能にする量子電磁力学の新たなプラットフォームである。近年実験的に達成できる気運が高まっていることで様々な理論提案がされているが、実験的にそれらを確かめた例は数少なく、新しい研究分野と言える。今回超強結合が可能にする新しい物理現象の観測に取り組んだことにより、回路によってどの程度実現できるか、理論的に理想的なモデルと実験系がどの程度離れているかなど重要な知見を得たことでこの分野でさらに議論が活発化する足掛かりを作ったといえる。