电路量子电动力学中量子 Rabi 模型的韧性

在电路量子电动力学（circuit QED）中，人造“电路原子”与量子化微波辐射的耦合强度远高于真实原子。著名的量子 Rabi 模型描述了二能级系统与单模玻色场之间最简单的相互作用。当耦合足够强时，即使电路具有强烈的非谐性，实际电路原子的裸多能级结构也不可忽略。我们从理论上研究了磁通（fluxonium）型和电荷（Cooper pair box）型多能级电路在各自调谐至磁通/电荷简并点时的情形。我们确定了量子 Rabi 模型的哪些谱特征在大耦合下得以保留，哪些被重整化。尽管在 fluxonium 情形中低能谱发生显著重整化，但当耦合足够大时，两类电路均出现了关键的量子 Rabi 特征——由原子态与多光子场纠缠构成的近简并真空态。与量子 Rabi 模型中一样，在极大耦合下，尽管实际参与原子-谐振器基态的裸原子态数量众多，其纠缠谱仍仅由两个近乎相等的本征值主导。我们将两类电路真空态的二重简并的出现，解释为由于谐振器中虚拟低/高阻抗光子的修饰作用导致磁通/电荷隧穿的环境抑制。对于磁通隧穿，这种修饰等效于用谐振器的大电容对 Josephson 原子进行分流。电荷隧穿的抑制则是连接到电阻性引线的隧穿结中传输的动态库仑阻塞的一种表现。