Many-Body Quantum Optics and Light-Matter Interactions in Superconducting Circuits
超导电路中的多体量子光学和光与物质相互作用
基本信息
- 批准号:1607160
- 负责人:
- 金额:$ 58万
- 依托单位:
- 依托单位国家:美国
- 项目类别:Continuing Grant
- 财政年份:2016
- 资助国家:美国
- 起止时间:2016-08-15 至 2022-07-31
- 项目状态:已结题
- 来源:
- 关键词:
项目摘要
The goal of this project is to study how light interacts with matter when that interaction becomes extraordinarily strong. Scientists have long understood how light interacts with bulk matter: for example, it can reflect off surfaces and bend when it enters glass. More recently, scientists have begun to explore the extremes of light-matter interaction. What happens when a single photon (particle of light) interacts with a single atom? The atom can either absorb or emit one photon, but if it is placed between two mirrors, it can absorb and re-emit the same photon many times. When this happens, the atom and photon form a new collective system, like a molecule between the atom and the photon. In this case, the interaction is said to be strong. In this project, the goal is to explore what happens when the interaction becomes still stronger, and more photons become involved. In particular, scientists have predicted that light itself will undergo a phase transition (like when water turns into ice). Here, patterned metal circuits, like those in a computer chip, will be used to study the interaction between microwave photons and artificial atoms. In particular, the chief aim is to observe a phase transition for these microwave photons and to study the new properties of light that emerge. This will give insight into how interactions lead to complex new behavior, a theme that runs throughout much of science and technology. Moreover, the specific circuits that will be used to study this are also used for building a new type of computer called a quantum computer; improvement in these circuits is an ancillary benefit. The specific aim of this proposal is to study the emergence of many-body states of light in systems of interacting photons. Effective photon-photon interactions will be generated using superconducting microwave circuits, with effective interactions mediated by Josephson-junction qubits. Two different architectures will be used to study these phase transitions. First, arrays of microwave cavities, each coupled to a superconducting qubit, will be used to generate a lattice of interacting microwave photons. The lattice will be populated with a steady state drive and dissipation, which, under appropriate conditions, will lead to a steady-state, non-equilibrium phase transition. The nature of this phase transition and of the steady states will be explored. Second, superconducting qubits will be placed in a photonic bandgap medium. These qubits will result in the generation of bound single photon states; multiple qubits will result in overlapping bound photons, generating a highly tunable lattice to study these many-body quantum optics effects. This project provides a complementary approach to studying phase transitions with cold atoms, and can easily access non-equilibrium physics and transport properties of the system.
这个项目的目标是研究当光与物质的相互作用变得非常强烈时,光是如何与物质相互作用的。 科学家们早就知道光是如何与大块物质相互作用的:例如,它可以在表面反射,并在进入玻璃时发生弯曲。 最近,科学家们开始探索光与物质相互作用的极端情况。 当单个光子(光粒子)与单个原子相互作用时会发生什么? 原子可以吸收或发射一个光子,但如果它被放置在两个镜子之间,它可以多次吸收和重新发射同一个光子。 当这种情况发生时,原子和光子形成一个新的集体系统,就像原子和光子之间的分子一样。 在这种情况下,相互作用被认为是强的。 在这个项目中,目标是探索当相互作用变得更强时会发生什么,更多的光子参与其中。 特别是,科学家预测光本身会经历相变(就像水变成冰一样)。 在这里,图案化的金属电路,就像计算机芯片中的那些,将被用来研究微波光子和人造原子之间的相互作用。 特别是,主要目的是观察这些微波光子的相变,并研究出现的光的新特性。 这将使我们深入了解互动如何导致复杂的新行为,这是贯穿大部分科学和技术的主题。 此外,将用于研究这一点的特定电路也用于建造一种称为量子计算机的新型计算机;这些电路的改进是一个附带的好处。这个提议的具体目标是研究在相互作用的光子系统中光的多体态的出现。 有效的光子-光子相互作用将使用超导微波电路产生,有效的相互作用由约瑟夫森结量子比特介导。 两种不同的架构将被用来研究这些相变。 首先,微波腔阵列,每个耦合到超导量子比特,将用于产生相互作用的微波光子晶格。 晶格将填充有稳态驱动和耗散,这在适当的条件下将导致稳态非平衡相变。 将探讨这种相变和稳态的性质。 第二,超导量子比特将被放置在光子带隙介质中。 这些量子比特将导致产生束缚单光子态;多个量子比特将导致重叠的束缚光子,产生高度可调的晶格来研究这些多体量子光学效应。 该项目为研究冷原子相变提供了一种补充方法,并且可以轻松获得系统的非平衡物理和输运性质。
项目成果
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