Физика Низких Температур: Том 47, Выпуск 10 (Октябрь 2021), c. 907-916    ( к оглавлению , назад )

Spontaneous decay of artificial atoms in a multi-qubit system

Ya. S. Greenberg, A. A. Shtygashev, and A. G. Moiseev

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

Received April 5, 2021, published online August 26, 2021

Abstract

We consider a one-dimensional chain of N equidistantly spaced noninteracting qubits embedded in an open waveguide. In the frame of single-excitation subspace, we systematically study the evolution of qubits’ amplitudes if the only qubit in the chain was initially excited. We show that the temporal dynamics of qubits’ amplitudes crucially depend on the value of kd, where k is the wave vector, d is a distance between neighbor qubits. If kd is equal to an integer multiple of π, then the qubits are excited to a stationary level which scales as N −1. We show that in this case, it is the dark states which prevent qubits from decaying to zero even though they do not contribute to the output spectrum of photon emission. For other values of kd the excitations of qubits have the form of damping oscillations, which represent the vacuum Rabi oscillations in a multi-qubit system. In this case, the output spectrum of photon radiation is defined by a subradiant state with the smallest width.

Анотація

Розглянуто одновимірний ланцюг з N рівновіддалених кубітів, які не взаємодіють та вбудовані у відкритий хвилепровід. У підпросторі однократного збудження вивчено еволюцію амплітуд кубітів, якщо спочатку збуджувався один кубіт у ланцюзі. Показано, що тимчасова динаміка амплітуд кубітів суттєво залежить від величини kd, де k — хвильовий вектор, d — відстань між сусідніми кубітами. Якщо kd дорівнює цілому числу, яке кратне π, то кубіти збуджуються до стаціонарного рівня, який масштабується як N −1. Показано, що в цьому випадку саме темні стани перешкоджують кубітам спадати до нуля, навіть якщо вони не сприяють вихідному спектру випромінювання фотонів. Для інших значень kd збудження кубітів мають вигляд демпфованих коливань та являють собою вакуумні коливання Рабі в мультикубітовій системі. У цьому випадку вихідний спектр фотонного випромінювання визначається субвипромінювальним станом з найменшою шириною.

Key words: multi-qubit system, qubits’ amplitudes, photon emission.