Resonant excitation of single and coupled qubits for coherent quantum control and microwave detection
DOI (Low Temperature Physics):
https://doi.org/10.1063/10.0044113Ключові слова:
driven qubit, Gorini–Kossakowski–Sudarshan–Lindblad equation, rotating-wave approximation, multiphoton resonancesАнотація
Резонансне збудження робить можливим когерентний контроль квантових систем, що включають поодинокі та зв’язані кубіти. Також переходи у квантовій системі можуть бути використані для детектування мікрохвильових фотонів. Теоретично досліджено резонансні багатофотонні збудження в системі кубітів. Коли енергія K фотонів співпадає з енергетичним розщепленням кубіта, поглинання цих фотонів призводить до колективного збудження кубітів. Ми зосереджуємося на випадку двох зв’язаних кубітів і аналізуємо квантову динаміку як процесу збудження, так і процесу релаксації. В окремому випадку, коли розглядається лише один кубіт, а іншими кубітами можна знехтувати, є можливим аналітичний опис динаміки. Досліджено багатофотонні резонанси, зсув Блоха–Зігерта та інверсну заселеність — явища, що є центральними як для когерентного квантового контролю, так і для детектування мікрохвильових фотонів.
Посилання
M. P. Silveri, J. A. Tuorila, E. V. Thuneberg, and G. S. Paraoanu, “Quantum systems under frequency modulation,” Rep. Prog. Phys. 80, 056002 (2017).https://doi.org/10.1088/1361-6633/aa5170
O. M. Konovalenko and Z. A. Maizelis, “Suppression of decoherence by multiple joint measurements in entangled systems,” Low Temp. Phys. 51, 1366 (2025) [Fiz. Nyzk. Temp. 51, 1508 (2025)].https://doi.org/10.1063/10.0039644
A. Izmalkov, M. Grajcar, E. Il’ichev, Th. Wagner, H.-G. Meyer, A. Yu. Smirnov, M. H. S. Amin, A. M. van den Brink, and A. M. Zagoskin, “Evidence for entangled states of two coupled flux qubits,” Phys. Rev. Lett. 93, 037003 (2004).https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.93.037003
A. L. Gramajo, D. Domínguez, and M. J. Sánchez, “Amplitude tuning of steady-state entanglement in strongly driven coupled qubits,” Phys. Rev. A 98, 042337 (2018).https://doi.org/10.1103/PhysRevA.98.042337
L. Antonić, S. Hazanov, S. Masis, D. Podolsky, and E. Buks, Sideband spectroscopy in the strong driving regime: Volcano transparency and sideband anomaly, arXiv:2508.14781 (2025).
J.-C. Besse, S. Gasparinetti, M. C. Collodo, T. Walter, P. Kurpiers, M. Pechal, C. Eichler, and A. Wallraff, “Single-shot quantum nondemolition detection of individual itinerant microwave photons,” Phys. Rev. X 8, 021003 (2018).https://doi.org/10.1103/PhysRevX.8.021003
R. Dassonneville, R. Assouly, T. Peronnin, P. Rouchon, and B. Huard, “Number-resolved photocounter for propagating microwave mode,” Phys. Rev. Appl. 14, 044022 (2020).https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.14.044022
R. Lescanne, S. Deléglise, E. Albertinale, U. Réglade, T. Capelle, E. Ivanov, T. Jacqmin, Z. Leghtas, and E. Flurin, “Irreversible qubit-photon coupling for the detection of itinerant microwave photons,” Phys. Rev. X 10, 021038 (2020).https://doi.org/10.1103/PhysRevX.10.021038
A. Opremcak, I. V. Pechenezhskiy, C. Howington, B. G. Christensen, M. A. Beck, E. Leonard, Jr., J. Suttle, C. Wilen, K. N. Nesterov, G. J. Ribeill et al, “Measurement of a superconducting qubit with a microwave photon counter,” Science 361, 1239 (2018).https://doi.org/10.1126/science.aat4625
O. A. Ilinskaya, A. I. Ryzhov, and S. N. Shevchenko, “Flux qubit based detector of microwave photons,” Phys. Rev. B 110, 155414 (2024).https://doi.org/10.1103/PhysRevB.110.155414
E. V. Stolyarov, O. V. Kliushnichenko, V. S. Kovtoniuk, and A. A. Semenov, “Photon-number resolution with microwave Josephson photomultipliers,” Phys. Rev. A 108, 063710 (2023).https://doi.org/10.1103/PhysRevA.108.063710
E. V. Stolyarov and R. A. Baskov, “Detector of microwave photon pairs based on a Josephson photomultiplier,” Phys. Rev. Res. 7, 033263 (2025).https://doi.org/10.1103/6p8x-snzm
V. Sirenko and J. Bartolomé, “Molecular spin relaxation of f-block metal complexes for quantum applications in a nutshell,” Low Temp. Phys. 51, 517 (2025) [Fiz. Nyzk. Temp. 51, 579 (2025)].https://doi.org/10.1063/10.0036442
S. Savasta, O. Di Stefano, A. Settineri, D. Zueco, S. Hughes, and F. Nori, “Gauge principle and gauge invariance in two-level systems,” Phys. Rev. A 103, 053703 (2021).https://doi.org/10.1103/PhysRevA.103.053703
A. Rettaroli, L. Banchi, H. A. Corti, A. D’Elia, C. Gatti, A. Giachero, D. Labranca, R. Moretti, A. Nucciotti, A. S. P. Komnang ., “Novel two-qubit microwave photon detector for fundamental physics applications,” Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A 1070, 170010 (2025).https://doi.org/10.1016/j.nima.2024.170010
M. Rehák, P. Neilinger, M. Zemlička, D. Manca, U. Hübner, E. Il’ichev, and M. Grajcar, Switching effect in SQUIDs coupled by Josephson junction, in Proceedings 20. International Conference on Applied Physics of Condensed Matter, INIS-SK–2017-034 (2014), p. 304.
P. Neilinger, O. A. Ilinskaya, M. Rehak, M. Baranek, S. Kern, E. Rizvanov, O. G. Turutanov, G. Oelsner, S. N. Shevchenko, E. Il’ichev, and M. Grajcar, Double SQUID photon counter—proof of principle (Unpublished).
S. N. Shevchenko, S. H. W. van der Ploeg, M. Grajcar, E. Il’ichev, A. N. Omelyanchouk, and H.-G. Meyer, “Resonant excitations of single and two-qubit systems coupled to a tank circuit,” Phys. Rev. B 78, 174527 (2008).https://doi.org/10.1103/PhysRevB.78.174527
D. M. Berns, W. D. Oliver, S. O. Valenzuela, A. V. Shytov, K. K. Berggren, L. S. Levitov, and T. P. Orlando, “Coherent quasiclassical dynamics of a persistent current qubit,” Phys. Rev. Lett. 97, 150502 (2006).https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.97.150502
L. Huang, J. Luneau, J. Schirk, F. Wallner, C. M. F. Schneider, S. Filipp, K. Liegener, and P. Rabl, “Theory of multiphoton processes for applications in quantum control,” Phys. Rev. A 113, 032620 (2026).https://doi.org/10.1103/tnkf-ckfz
S. Kohler and J. Casado-Pascual, “Hidden time-nonlocal Floquet symmetries,” Quantum 10, 2112 (2026). https://doi.org/10.22331/q-2026-05-21-2112
A. L. Gramajo, D. Domínguez, and M. J. Sánchez, “Controlling entanglement in the interferometry of driven coupled flux qubits,” J. Phys.: Conf. Ser. 969, 012135 (2018).https://doi.org/10.1088/1742-6596/969/1/012135
Z. Wang, B. D’Anjou, P. Gigon, A. Blais, and M. S. Blok, “Probing excited-state dynamics of transmon ionization,” Phys. Rev. X 16, 021033 (2026). https://doi.org/10.1103/8tdv-hgmb
M. Féchant, M. F. Dumas, D. Bénâtre, N. Gosling, P. Lenhard, M. Spiecker, S. Geisert, S. Ihssen, W. Wernsdorfer, B. D’Anjou ., “Offset charge dependence of measurement-induced transitions in transmons,” Phys. Rev. Lett. 135, 180603 (2025).https://doi.org/10.1103/yljv-b4kj
P. Neilinger, S. N. Shevchenko, J. Bogár, M. Rehák, G. Oelsner, D. S. Karpov, U. Hübner, O. Astafiev, M. Grajcar, and E. Il’ichev, “Landau–Zener–Stückelberg–Majorana lasing in circuit quantum electrodynamics,” Phys. Rev. B 94, 094519 (2016).https://doi.org/10.1103/PhysRevB.94.094519
S. N. Shevchenko, G. Oelsner, Ya. S. Greenberg, P. Macha, D. S. Karpov, M. Grajcar, U. Hübner, A. N. Omelyanchouk, and E. Il’ichev, “Amplification and attenuation of a probe signal by doubly dressed states,” Phys. Rev. B 89, 184504 (2014).https://doi.org/10.1103/PhysRevB.89.184504
S. N. Shevchenko, A. N. Omelyanchouk, A. M. Zagoskin, S. Savel’ev, and F. Nori, “Distinguishing quantum from classical oscillations in a driven phase qubit,” New J. Phys. 10, 073026 (2008).https://doi.org/10.1088/1367-2630/10/7/073026
A. D. O’Connell, M. Ansmann, R. C. Bialczak, M. Hofheinz, N. Katz, E. Lucero, C. McKenney, M. Neeley, H. Wang, E. M. Weig, A. N. Cleland, and J. M. Martinis, “Microwave dielectric loss at single photon energies and millikelvin temperatures,” Appl. Phys. Lett. 92, 112903 (2008).https://doi.org/10.1063/1.2898887
S. H. W. van der Ploeg, A. Izmalkov, A. M. van den Brink, U. Hübner, M. Grajcar, E. Il’ichev, H.-G. Meyer, and A. M. Zagoskin, “Controllable coupling of superconducting flux qubits,” Phys. Rev. Lett. 98, 057004 (2007).https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.98.057004
A. A. Zvyagin and G. A. Zvyagina, “Features of static and dynamic characteristics of a rhombohedric paramagnet,” Low Temp. Phys. 51, 353 (2025) [Fiz. Nyzk. Temp. 51, 391 (2025)].https://doi.org/10.1063/10.0035839
A. A. Zvyagin and G. A. Zvyagina, “Spin dimer as a model of a “quantum ferrimagnet”, Low Temp. Phys. 51, 908 (2025) [Fiz. Nyzk. Temp. 51, 1005 (2025)].https://doi.org/10.1063/10.0037034
O. M. Bahrova, S. I. Kulinich, L. Y. Gorelik, R. I. Shekhter, and H. C. Park, “Cooling of nanomechanical vibrations by Andreev injection,” Low Temp. Phys. 48, 476 (2022) [Fiz. Nyzk. Temp. 48, 535 (2022)].https://doi.org/10.1063/10.0010443
W. P. Schleich, Quantum Optics in Phase Space (John Wiley & Sons, 2015).
K. Blum, Density Matrix Theory and Applications (Springer Science & Business Media, 2012) Vol. 64.
E. A. Temchenko, S. N. Shevchenko, and A. N. Omelyanchouk, “Dissipative dynamics of a two-qubit system: Four-level lasing,” Phys. Rev. B 83, 144507 (2011).https://doi.org/10.1103/PhysRevB.83.144507
G. L. Deçordi and A. Vidiella-Barranco, “Two coupled qubits interacting with a thermal bath: A comparative study of different models,” Opt. Commun. 387, 366 (2017).https://doi.org/10.1016/j.optcom.2016.10.017
V. Vadimov, J. Tuorila, T. Orell, J. Stockburger, T. Ala-Nissila, J. Ankerhold, and M. Möttönen, “Validity of Born-Markov master equations for single-and two-qubit systems,” Phys. Rev. B 103, 214308 (2021).https://doi.org/10.1103/PhysRevB.103.214308
L. Garziano, V. Macrì, R. Stassi, O. Di Stefano, F. Nori, and S. Savasta, “One photon can simultaneously excite two or more atoms,” Phys. Rev. Lett. 117, 043601 (2016).https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.117.043601
I. Pietikäinen, S. Danilin, K. S. Kumar, J. Tuorila, and G. S. Paraoanu, “Multilevel effects in a driven generalized Rabi model,” J. Low Temp. Phys. 191, 354 (2018).https://doi.org/10.1007/s10909-018-1857-8
V. Reparaz, M. J. Sánchez, M. Gatto, D. Dominguez, and L. Tosi, “Landau–Zener–Stückelberg spectroscopy of a fluxonium quantum circuit,” Phys. Rev. B 112, 054517 (2025).https://doi.org/10.1103/164m-lqzh
K. K. Likharev, Quantum Mechanics: Lecture Notes (IOP Publishing, 2019). ISBN: 978-0-7503-1410-7; ISBN: 978-0-7503-1411-4.
S. N. Shevchenko, Mesoscopic Physics Meets Quantum Engineering (World Scientific, 2019).
W. D. Oliver, Y. Yu, J. C. Lee, K. K. Berggren, L. S. Levitov, and T. P. Orlando, “Mach–Zehnder interferometry in a strongly driven superconducting qubit,” Science 310, 1653 (2005).https://doi.org/10.1126/science.1119678
O. V. Ivakhnenko, S. N. Shevchenko, and F. Nori, “Nonadiabatic Landau–Zener–Stückelberg–Majorana transitions, dynamics, and interference,” Phys. Rep. 995, 1 (2023).https://doi.org/10.1016/j.physrep.2022.10.002
