Jaako, T. (2019). Ultrastrong light-matter coupling in circuit QED [Dissertation, Technische Universität Wien]. reposiTUm. https://doi.org/10.34726/hss.2019.50581
“Circuit quantum electrodynamics (QED)” bezeichnet ein junges Forschungsfeld in dem effective Licht-Materiewechselwirkungen anhand der Kopplung von supraleitenden Qubits (“künstliche Atome”) und Mikrowellenphotonen untersucht werden. Im Vergleich zu traditionellen Resonator QED Systemen mit Atomen und optischen Photonen kann in diesen künstlichen Systemen die Kopplungsstärke um viele Größenordnungen erhöht und dadurch vergleichbar mit der absoluten Energie der Photonen werden. In diesem Regime der sogenannten ultrastarken Kopplung (USK) gelten die bekannten Gesetze der Quantenoptik nicht mehr und neue exotische Phänomene treten zu Tage. In dieser Dissertation werden die grundlegenden physikalischen Eigenschaften von Circuit- und Resonator-QED Systemen anhand von einfachen Modellen beschrieben und diskutiert. Dazu wird insbesondere durch verschiedene explizite Herleitungen gezeigt, dass in diesem Regime das oft verwendete Dicke Model seine Gültigkeit verliert und durch ein erweitertes Dicke Model (EDM) ersetzt werden muss. Im Bereich USK sagt dieses Model einen neuartigen, subradianten Grundzustand voraus, in welchem die Qubits oder Atome von den Photonen komplett entkoppelt, aber gleichzeitig untereinander stark verschränkt sind. Durch die Ableitung von weiter vereinfachten effektiven Modellen kann diese Phase, so wie auch viele andere Eigenschaften des Grundzustands und der angeregten Zustände von stark-wechselwirkenden Licht-Materie Systemen, verstanden werden. Dadurch konnten mit dieser Dissertation auch jahrelang kontrovers diskutierte Fragen in diesem Feld, wie zum Beispiel die Existenz eines superradianten Phasenübergangs, endgültig geklärt werden. Basierend auf diesem neuen grundlegenden Verständnis werden in dieser Dissertation des Weiteren ein Protokoll diskutiert, um stark verschränkte Zustände aus dem subradianten Vakuum zu extrahieren und die Möglichkeit das EDM mit Hilfe gefangener Ionen zu simulieren im Detail analysiert.
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In circuit quantum electrodynamics (QED) effective light-matter interactions can be studied in terms of superconducting two-level systems (“artificial atoms”) coupled to microwave resonators. Compared to regular cavity QED systems with atoms and optical photons, the achievable coupling strengths in such artificial systems can be enhanced by many orders of magnitude and even exceed the bare energies of the photons and atoms. In this so-called ultra-strong coupling (USC) regime the simple physics of the Jaynes-Cummings model is no longer valid and new exotic phenomena emerge. This thesis addresses the physics of circuit and cavity QED systems beyond the standard description based on the Dicke model. First of all, a rigorous derivation of the effective circuit QED Hamiltonian is presented, which shows that the Dicke model is no longer valid in the USC regime of circuit QED. Instead, a new model, the Extended Dicke model (EDM), is identified as a physically consistent description. In the remainder of the thesis, the physics of the EDM is studied, first in the case of non-interacting qubits. From this analysis a new ground state phase, the subradiant phase, is found, where the qubits decouple from the photons, but at the same time they are strongly entangled with each other. In a next step the cases of repulsively and attractively interacting qubits are discussed. From this analysis it can be shown that the origin of the usual superradiant phase transition is related to the presence of attractive qubit-qubit interactions and not to the presence of a cavity mode, as commonly understood. In the successive parts of the thesis also the excited states of the EDM are discussed, in particular in the low photon- frequency regime. In this limit the photons behave as effective particles moving in a potential landscape determined by the coupling to the qubits. Several symmetry-breaking transition in the qubit excited states are found and ways to probe them are discussed. Finally, as an application of these new USC effects a scheme to extract entanglement from the subradiant vacuum and a quantum simulation scheme of the EDM with trapped ions are proposed and analyzed.
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Abweichender Titel nach Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers