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
1. 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
2. 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
3. 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
4. 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
5. 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).
6. 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
7. 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
8. 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
9. 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
10. 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
11. 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
12. 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
13. 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
14. 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
15. 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
16. 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.
17. 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).
18. 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
19. 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
20. 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
21. 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
22. 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
23. 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
24. 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
25. 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
26. 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
27. 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
28. 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
29. 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
30. 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
31. 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
32. 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
33. W. P. Schleich, Quantum Optics in Phase Space (John Wiley & Sons, 2015).
34. K. Blum, Density Matrix Theory and Applications (Springer Science & Business Media, 2012) Vol. 64.
35. 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
36. 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
37. 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
38. 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
39. 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
40. 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
41. K. K. Likharev, Quantum Mechanics: Lecture Notes (IOP Publishing, 2019). ISBN: 978-0-7503-1410-7; ISBN: 978-0-7503-1411-4.
42. S. N. Shevchenko, Mesoscopic Physics Meets Quantum Engineering (World Scientific, 2019).
43. 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
44. 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
