超导电路中的近极强非线性光-物质耦合

原子与共挏器中电磁模的相互作用既具有基本意义，也在量子技术中随处可见。大多数先前工作研究的是形式为 $g \widehat{\sigma}_x (\widehat{a} + \widehat{a}^\dagger)$ 的线性光-物质耦合，其中 $g$ 相对于光子（$\omega_a$）和原子（$\omega_b$）模式频率可达极强耦合 regime ($g/\omega_{a}\!>\!10^{-1}$)。相较之下，形式为 $\frac{\chi}{2} \widehat{\sigma}_z \widehat{a}^\dagger \widehat{a}$ 的非线性光-物质耦合因与原子 $\widehat{\sigma}_z$ 及光子 $\widehat{a}^\dagger\widehat{a}$ 无限电荷哈密顿量互补，允许实现量子-消解测量等基本操作。然而，由于非线性耦合的扰动性质，当前技术中 $\chi/\text{max}(\omega_a, \omega_b)$ 仅受限于 $<10^{-2}$。本文采用包含四极子耦合器的超导电路架构，首次实现近极强 $\chi/\text{max}(\omega_a, \omega_b)= (4.852\pm0.006)\times10^{-2}$ 的非线性耦合——即超导人造原子与近线性共挏器之间的非线性耦合。我们还展示了光-光非线性耦合 ($\chi\widehat{a}^\dagger\widehat{a}\widehat{b}^\dagger\widehat{b}$) 的迹象，以及 $\chi/2\pi = 580.3 \pm 0.4$ MHz 的物质-物质非线性耦合 ($\frac{\chi}{4}\widehat{\sigma}_{z,a}\widehat{\sigma}_{z,b}$)，这是报告的两种人造量子比特之间最大的 $ZZ$ 相互作用。这种非线性耦合强度的进步开启了新的物理范畴，可能导致顺序数量级更快的量子比特读出和门操作。