量子物理学：巨大な超伝導人工原子による導波路量子電磁力学

量子電磁力学の光–物質相互作用モデルは双極子近似に頼ることが多く、この近似では、原子は相互作用する電磁モードの波長に比べる場合には点状の物体として扱われる。しかし、原子のサイズとこのモード波長の比が大きくなると双極子近似はもはや成り立たなくなり、原子は「巨大原子」と称されるようになる。これまで、巨大原子領域の固体デバイスを用いた実験的研究は、短波長の表面弾性波と結合する超伝導キュービットに限られており、原子の性質は、単一周波数でしか調べることができなかった。今回我々は、別のアーキテクチャーを用い、複数だが十分に分離した離散的な場所で複数の小さな原子を導波路と結合させることによって、巨大原子を実現した。この系によって、オン・オフ比が大きく、デバイス設計によって結合スペクトルを操作できる調整可能な原子–導波路結合が可能になった。さらに我々は、導波路中の準連続スペクトルのモードが媒介する、複数の巨大原子間のデコヒーレンスのない相互作用も実証した。これは、小さな原子を使っては実現できない効果である。こうした特徴によって、このアーキテクチャーのキュービットが、キュービット–キュービット相互作用を保ちながら、保護された配置と発光性の配置の間をin situで切り替わることができるようになり、これによって高忠実度の量子シミュレーションや非古典的な遍歴光子生成の可能性が開かれる。

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