Continuous-Time Monitoring of Landau-Zener Interference in a Cooper-Pair Box

Landau-Zener (LZ) tunneling can occur with a certain probability when crossing energy levels of a quantum two-level system are swept across the minimum energy separation. Here we present experimental evidence of quantum interference effects in solid-state LZ tunneling. We used a Cooper-pair box qubit where the LZ tunneling occurs at the charge degeneracy. By employing a weak nondemolition monitoring, we observe interference between consecutive LZ-tunneling events; we find that the average level occupancies depend on the dynamical phase. The system’s unusually strong linear response is explained by interband relaxation. Our interferometer can be used as a high-resolution Mach-Zehnder–type detector for phase and charge.Peer reviewe

Vibronic spectroscopy of an artificial molecule

With advanced fabrication techniques it is possible to make nanoscale electronic structures that have discrete energy levels. Such structures are called artificial atoms because of analogy with true atoms. Examples of such atoms are quantum dots in semiconductor heterostructures and Josephson-junction qubits. It is also possible to have artificial atoms interacting with each other. This is an artificial molecule in the sense that the electronic states are analogous to the ones in a molecule. In this letter we present a different type of artificial molecule that, in addition to electronic states, also includes the analog of nuclear vibrations in a diatomic molecule. Some of the earlier experiments could be interpreted using this analogy, including qubits coupled to oscillators and qubits driven by an intense field. In our case the electronic states of the molecule are represented by a Josephson-junction qubit, and the nuclear separation corresponds to the magnetic flux in a loop containing the qubit and an LC oscillator. We probe the vibronic transitions, where both the electronic and vibrational states change simultaneously, and find that they are analogous to true molecules. The vibronic transitions could be used for sideband cooling of the oscillator, and we see damping up to sidebands of order 10.Comment: 5 pages, 4 figure

Landau-Zener interferometriaa suprajohtavalla kvanttibitillä

Mesoskooppiset yhden elektronin laitteet ovat kooltaan pieniä sähköpiirejä, joissa voidaan havaita kvanttimekaanisia ilmiöitä. Eräs tällainen ilmiö on Landau-Zener tunneloituminen, jossa systeemin tila muuttuu hyppäyksenomaisesti yhdestä energiatilasta toiseen. Tunneloitumisen edellytyksenä on, että systeemin tilat hetkellisesti koskettavat toisiaan. Mikäli kosketuskohta ohitetaan useita kertoja peräkkäin ja systeemi säilyttää kvanttimekaanisen koherenssin, voidaan tunnelointumistodennäköisyydessä havaita interferenssin kaltaista voimistumista tai heikkenemistä. Interferenssin aiheuttama suure on tässä tapauksessa aaltofunktion komponenttien välinen dynaaminen vaihe-ero. Tässä työssä olen tutkinut Landau-Zener tunneloitumista kvanttimekaanisessa kahden tilan systeemissä (KTS), jonka muodostaa yhden Cooperin-parin transistori. Työn lähtökohtana on kaksi koetta, joissa KTS on liitetty osaksi sähköistä värähtelypiiriä. Systeemin tila määritetään tarkkailemalla sen vastetta ulkoiseen korkeataajuiseen jännitesignaaliin. Havainnointi perustuu siihen, että transistorin energiatasojen kaarevuus voidaan liittää epälineaariseen kapasitanssiin tai induktanssiin riippuen siitä, tarkastellaanko vastetta varauksen vai magneettivuon suhteen. Kun tunneloitumisen yhteydessä energiatasojen miehitys muuttuu, muuttuu myös systeemin havaittava efektiivinen reaktanssi ja siten värähtelypiirin resonanssitaajuus. Tämä puolestaan aiheuttaa muutoksen värähtelypiiristä heijastuneen mittaussignaalin amplitudissa ja vaiheessa. Kokeelliset tulokset pyrin selittämään mallintamalla systeemin aikakehitystä numeerisella tietokonesimulaatiolla. Tekemällä muunnos spin-1/2 notaatioon ongelma yksinkertaistuu joukoksi kytkettyjä differentiaaliyhtälöitä, jotka tunnetaan Blochin yhtälöinä. Toisin kuin Schrödingerin yhtälö, Blochin yhtälöt mahdollistavat yksinkertaisen häviöiden kuvaamisen KTS:n aikakehityksessä spin-bosoni-mallin avulla. Kun simulaatiotulos yhdistetään lineaarisen vasteen malliin, saadaan hyvä yhteensopivuus kokeellisten ja teoreettisten tulosten välille. Mallin avulla pystytään ennustamaan mm. transistorin kvanttikapasitanssin ja -induktanssin arvo, interferenssipiikkien paikat, ac-Stark siirtymän suuruus sekä systeemin dekoherenssiajan arvioksi noin 1 ns. Lisäksi malli mahdollistaa harmonisen oskillaattorin ja KTS:n välisen vuorovaikutuksen kuvaamisen ja antaa tavan havaita harmonisen oskillaattorin kvanttimekaanisia tiloja

Microwave reflection measurement of critical currents in a nanotube Josephson transistor with a resistive environment

A scheme for measuring small intrinsic critical currents I c in nanoscale devices is described. Changes in Josephson inductance L J are converted to frequency variations that are recorded via microwave reflection measurements at 700-800 MHz. The critical current is determined from the frequency shift of the reflection magnitude at zero phase bias assuming a sinusoidal current-phase relation. The method is used to study a multiwalled carbon nanotube transistor with Pd/Nb contacts inside a resistive on-chip environment. We observe gate-tunable critical currents up to I c ~ 8 nA corresponding to L J > 40 nH. The method presented is also applicable to devices shunted by closed superconducting loops