Non-linear dynamics in cavity QED: beyond two coupled springs

Abstract

Hybride Quantensysteme werden ohne Zweifel, aufgrund ihrer Flexibilität und Potential für die Kontrolle und Manipulation von (komplexen) Quantensystemen, einen entscheidenden Einfluss auf die Entwicklung von Quantentechnologien im kommenden Jahrhundert haben. Diese Systeme in das Regime von Festkörperphysik zu bringen ist nur der nächste logische Schritt um sie besser skalierbar und interessant für größer skalierte Anwendungen zu machen. Viele Experimente haben bereits eine erfolgreiche Implementierung gezeigt und eine Reihe von Anwendungen heutzutage verwenden ein Festkörper Hybrides Quantensystem auf die eine oder andere Weise. Andererseits sind fast alle physikalischen Systeme in der Natur nicht-linear, und nicht-lineare Systeme werden erfolgreich in klassischen Beispielen wie dem Laser oder Einzelphotonen Detektoren benutzt. In dieser Arbeit versuche ich diese beiden Prinzipien zu verknüpfen, etwas was bis jetzt noch nicht in einem Festkörper Hybriden Quantensystem gelungen ist. Ausgehend von einem linearen System, dass sich in vielen Punkten wie zwei gekoppelte harmonische Oszillatoren verhält, präsentiere ich zwei Experimente, bei denen dieses harmonische Regime verlassen wird und die nicht-linearen Eigenschaften der Spins sichtbar werden. In einem ersten Experiment zeige ich Amplituden Bistabilität, einer der ersten nicht-linearen Effekte der in der Quantenoptik entdeckt wurde, bei dem das System einen Phasenübergang zwischen einem linearen und nicht-linearem Regime aufweist. Diese erste erfolgreiche Implementierung in einem Festkörper Hybriden System gibt uns die Möglichkeit neue Eigenschaften des Phasenüberganges zu studieren und direkt das zeitliche Verhalten zu beobachten, auf einer Zeitskala von beispiellosen zehntausenden von Sekunden. Das gibt die Möglichkeit Eigenschaften wie den kritischen Exponenten des auftretenden Phasenüberganges zu bestimmen. In einem zweiten Experiment untersuche ich einen anderen archetypischen nicht-linearen Effekt, der bis jetzt noch nicht in einem Festkörper System gezeigt werden konnte. Superradianz ist ein kollektiver nicht-linear Effekt, bei dem viele Emitter sich qualitativ unterschiedlich zu einem einzelnem Emitter verhalten, mit einem kollektiven Zerfall viele Größenordnungen größer als ein einzelner Spin. Um die Experimente zu realisieren verwenden wir ein Hybrides System mit nega tiv geladenen Stickstofffehlstellen in Diamant, als das (nicht-lineare) Spin System, dass entweder an einen supraleitende zweidimensionale oder dreidimensionalen Resonator gekoppelt wird. Die erfolgreiche Implementierung wird sehr schnell und sofortigen Einfluss auf die Entwicklung von superradianten Masern, Quantenbatterien, Mikrowellen Switches oder Mikrowellen Einzelphotonendetektoren haben.

Hybrid quantum systems no doubt will play a prominent role in the implementation of quantum technologies in the coming century, due to their versatility and potential in control and manipulation of (complex) quantum systems. Bringing these systems into the realm of solid state physics is the next logical step in scaling up these technologies and making them interesting to use in large scale applications. Many experiments have shown such an implementation in solid state devices and many realizations of quantum technologies nowadays rely on a solid state hybrid quantum system in one way or another. On the other hand most physical systems in nature are inherently non-linear, and used in classical examples ranging from lasers to single photon detectors. In this thesis I try to combine these two principles, something that has not been done yet in a solid state hybrid quantum system. Starting from a system that is in the linear regime, and in many ways behaves like a two coupled harmonic oscillator system, I present two experiments, where we leave this linear regime and study the occurring non-linearity of the spin system. In a first experiment I study amplitude bistability, one of the first non-linear effects discovered in quantum optics, where the system undergoes a phase transition between the linear and the non-linear regime. This first implementation of amplitude bistability in such a system allows to study completely new properties of the phase transition and directly observe the temporal evolution of it on an unprecedented time-scale of several tens of thousands of seconds, and allows to extract properties like the critical exponent of the transition. In a second experiment I show another archetypal non-linear effect, that has not been shown so far in a solid state hybrid system. Superradiance is a collective non-linear effect where multiple emitters coupled to a cavity mode behave qualitatively different than a single emitter, with a collective decay many orders of magnitude faster than a single spin. Negatively charged nitrogen vacancy centers in diamond act as as the (non-linear) spin system, coupled to either superconducting transmission line resonators or 3 dimensional lumped element resonators. The successful implementations give rise to rather immediate implications in the development of superradiant masers, quantum batteries, microwave switches and single microwave photon detectors.