Efectos dinámicos en la emisión óptica de sistemas cavidad-qubit en el régimen de acoplamiento ultrafuerte

Abstract

Recent experimental developments achieved in cavity-qubit systems in circuit quantum electrodynamics, open the door to enhance quantum properties for the implementation of new emerging quantum architectures. Among these interesting properties is the communication at a distance between two-level quantum systems or photon-mediated qubits, with the purpose of coding and transmitting information. Motivated by this, this work studies two hybrid quantum systems (semiconductor and superconductor), in order to quantify the degree of entanglement between qubits and to determine the robustness of information transfer mediated by a cavity (or resonator) in different radiation-matter coupling regimes: strong and ultra-strong regime, where the strong regime occurs when the radiation-matter interaction is less than the frequencies of the qubit-cavity and the ultra-strong when the interaction frequency is close to the natural frequencies of the system. The first studied system is a semiconductor double quantum dot molecule coupled to the same cavity in the strong regime and the second system differs in that a semiconductor qubit is replaced by a superconductor and furthermore, the latter is in the regime of ultra-strong coupling with the cavity. In particular, it was found that the degree of qubit-qubit entanglement in the steady state of the first system is high compared to the second system, where entanglement declines rapidly. In contrast, for quantum state transfer processes, ultra-strong coupling has a higher degree of transfer than strong coupling. Finally, in the second system it was shown that it is possible to inherit the behavior of an ultra-strong coupling regime from one qubit to another, through interaction with light.

Recientes desarrollos experimentales logrados en sistemas cavidad-qubit en electrodinámica cuántica de circuitos, abren la puerta para potenciar propiedades cuánticas para la implementación de nuevas arquitecturas cuánticas emergentes. Dentro de estas propiedades interesantes se encuentra la comunicación a distancia entre sistemas cuánticos de dos niveles o qubits mediados por fotones, con el propósito de codificar y transmitir información. Motivado por esto, en este trabajo se estudian dos sistemas cuánticos híbridos (semiconductores y superconductores), con el fin de cuantificar el grado de entrelazamiento entre qubits y determinar la robustez de la transferencia de información mediada por una cavidad (o resonador) en diferentes regímenes de acoplamiento radiación-materia: régimen fuerte y ultrafuerte, donde el fuerte ocurre cuando la interacción radiación-materia es menor a las frecuencias del qubit-cavidad y el ultrafuerte cuando la frecuencia de interacción es cercana a las frecuencias naturales del sistema. El primer sistema estudiado es una molécula de doble punto cuántico semiconductor acoplado a una misma cavidad en el régimen fuerte y el segundo sistema se diferencia en que se reemplaza un qubit semiconductor por uno superconductor y, además, éste se encuentra en el régimen de acoplamiento ultrafuerte con la cavidad. En particular, se encontró que el grado de entrelazamiento qubit-qubit en el estado estacionario del primer sistema es alto en comparación con el segundo sistema, donde el entrelazamiento decae rápidamente. Por el contrario, para procesos de transferencia cuántica de estados, el acople ultrafuerte tiene un mayor grado en la transferencia que el acople fuerte. Finalmente, en el segundo sistema se demostró que es posible heredar el comportamiento de un régimen de acoplamiento ultrafuerte de un qubit a otro, mediante la interacción con la luz.