Физика Низких Температур: Том 46, Выпуск 9 (Сентябрь 2020), c. 1078-1087    ( к оглавлению , назад )

Excitation of the collective states of qubits in a three-qubit system

Ya. S. Greenberg and A. A. Shtygashev

Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk 630073, Russia
E-mail: yakovgreenberg@yahoo.com

Received January 16, 2020, published online July 22, 2020

Abstract

In the present paper, we have proposed the experimentally achievable method for the characterization of the collective states of qubits in a linear chain. We study a temporal dynamics of absorption of a single-photon pulse by three interacting qubits embedded in a one-dimensional open waveguide. Numerical simulations were performed for a Gaussian-shaped pulse with different frequency detunings and interaction parameters between qubits. The dynamic behavior of the excitation probability for each qubit is investigated. It was shown that the maximum probability amplitudes of excitation of qubits are reached when the frequency of external excitation coincides with the frequency of excitation of the corresponding eigenstate of the system. In this case, the magnitude of the probability amplitude of each qubit in the chain unambiguously correlates with the contribution of this qubit to the corresponding collective state of the system, and the decay of these amplitudes is determined by the resonance width arising from the interaction of the qubit with the photon field of the waveguide. Therefore, we show that the pulsed harmonic probe can be used for the characterization of the energies, widths, and the wave functions of the collective states in a one dimensional qubit chain.

Анотація

Запропоновано спосіб дослідження характеристик колективних станів кубітів у лінійному ланцюжку, який можна здійснити експериментально. Вивчено динаміку поглинання однофотонного імпульсу лінійним ланцюжком, що складається з трьох взаємодійних кубітів, якi поміщенi у відкритий одновимірний хвилевід. Чисельний розрахунок проведено для пакета з гаусовою формою із гармонійним заповненням для різних значень частотного розладу та параметрів взаємодії між кубiтами. Досліджено динамічну поведінку ймовірності збудження кожного кубіта у ланцюжку. Показано, що максимальне значення ймовірності збудження кубітів досягається, коли частота зовнішнього збудження збігається з власною частотою відповідного колективного стану. У цьому випадку величина амплітуди ймовірності кожного кубіта у ланцюжку однозначно корелює з внеском цього кубіта у відповідний колективний стан системи. Загасання цих амплітуд визначається шириною резонансу, що виникає внаслідок взаємодії кубіта з фотонним полем хвилеводу. Таким чином, імпульсний гармонійний сигнал може бути використано як діагностичний інструмент для визначення енергій, ширини та хвильових функцій колективних станів в одновимірному ланцюжку кубітів.

Key words: qubit, microwave photon, collective state, pulse excitations.