Papers
Topics
Authors
Recent
Gemini 2.5 Flash
Gemini 2.5 Flash
144 tokens/sec
GPT-4o
7 tokens/sec
Gemini 2.5 Pro Pro
46 tokens/sec
o3 Pro
4 tokens/sec
GPT-4.1 Pro
38 tokens/sec
DeepSeek R1 via Azure Pro
28 tokens/sec
2000 character limit reached

A Superconducting Single-Atom Phonon Laser (2312.13948v2)

Published 21 Dec 2023 in quant-ph

Abstract: The development of quantum acoustics has enabled the cooling of mechanical objects to their quantum ground state, generation of mechanical Fock-states, and Schrodinger cat states. Such demonstrations have made mechanical resonators attractive candidates for quantum information processing, metrology, and macroscopic tests of quantum mechanics. Here, we experimentally demonstrate a direct quantum-acoustic equivalent of a single-atom laser. A single superconducting qubit coupled to a high-overtone bulk acoustic resonator is used to drive the onset of phonon lasing. We observe the absence of a sharp lower lasing threshold and characteristic upper lasing threshold, unique predictions of single-atom lasing. Lasing of an object with a 25 ug mass represents a new regime of laser physics. It provides a possible tool for generating large amplitude coherent states in circuit quantum acoustodynamics, which is important for fundamental and quantum information applications.

Definition Search Book Streamline Icon: https://streamlinehq.com
References (50)
  1. A. L. Schawlow, “Spectroscopy in a new light,” Reviews of Modern Physics 54, 697 (1982).
  2. A. L. Schawlow, “Laser spectroscopy of atoms and molecules: The abundance of new laser techniques is making possible a variety of spectroscopic experiments.” Science 202, 141–147 (1978).
  3. W. D. Phillips and H. Metcalf, “Laser deceleration of an atomic beam,” Physical Review Letters 48, 596 (1982).
  4. W. D. Phillips, “Nobel lecture: Laser cooling and trapping of neutral atoms,” Reviews of Modern Physics 70, 721 (1998).
  5. M. H. Anderson, J. R. Ensher, M. R. Matthews, C. E. Wieman,  and E. A. Cornell, “Observation of bose-einstein condensation in a dilute atomic vapor,” science 269, 198–201 (1995).
  6. K. B. Davis, M.-O. Mewes, M. R. Andrews, N. J. van Druten, D. S. Durfee, D. Kurn,  and W. Ketterle, “Bose-einstein condensation in a gas of sodium atoms,” Physical review letters 75, 3969 (1995).
  7. B. P. Abbott, R. Abbott, T. Abbott, M. Abernathy, F. Acernese, K. Ackley, C. Adams, T. Adams, P. Addesso, R. Adhikari, et al., “Observation of gravitational waves from a binary black hole merger,” Physical review letters 116, 061102 (2016).
  8. S. Chaurasiya, P. Hew, P. Crosley, D. Sharon, K. Potts, K. Agopsowicz, M. Long, C. Shi,  and M. Hitt, “Breast cancer gene therapy using an adenovirus encoding human il-2 under control of mammaglobin promoter/enhancer sequences,” Cancer Gene Therapy 23, 178–187 (2016).
  9. R. L. McCreery, Raman spectroscopy for chemical analysis (John Wiley & Sons, 2005).
  10. E. Khalkhal, M. Rezaei-Tavirani, M. R. Zali,  and Z. Akbari, “The evaluation of laser application in surgery: a review article,” Journal of lasers in medical sciences 10, S104 (2019).
  11. I. Mahboob, K. Nishiguchi, A. Fujiwara,  and H. Yamaguchi, “Phonon lasing in an electromechanical resonator,” Phys. Rev. Lett. 110, 127202 (2013).
  12. K. Vahala, M. Herrmann, S. Knünz, V. Batteiger, G. Saathoff, T. Hänsch,  and T. Udem, “A phonon laser,” Nature Physics 5, 682–686 (2009).
  13. R. M. Pettit, W. Ge, P. Kumar, D. R. Luntz-Martin, J. T. Schultz, L. P. Neukirch, M. Bhattacharya,  and A. N. Vamivakas, “An optical tweezer phonon laser,” Nature Photonics 13, 402–405 (2019).
  14. T. Kuang, R. Huang, W. Xiong, Y. Zuo, X. Han, F. Nori, C.-W. Qiu, H. Luo, H. Jing,  and G. Xiao, “Nonlinear multi-frequency phonon lasers with active levitated optomechanics,” Nature Physics 19, 414–419 (2023).
  15. T. Behrle, T. L. Nguyen, F. Reiter, D. Baur, B. de Neeve, M. Stadler, M. Marinelli, F. Lancellotti, S. F. Yelin,  and J. P. Home, “Phonon laser in the quantum regime,” Phys. Rev. Lett. 131, 043605 (2023).
  16. P. K. Shandilya, D. P. Lake, M. J. Mitchell, D. D. Sukachev,  and P. E. Barclay, “Optomechanical interface between telecom photons and spin quantum memory,” Nature Physics 17, 1420–1425 (2021).
  17. D. Hatanaka, M. Asano, H. Okamoto, Y. Kunihashi, H. Sanada,  and H. Yamaguchi, “On-chip coherent transduction between magnons and acoustic phonons in cavity magnomechanics,” Physical Review Applied 17, 034024 (2022).
  18. D. Hatanaka, M. Asano, H. Okamoto,  and H. Yamaguchi, “Phononic crystal cavity magnomechanics,” Physical Review Applied 19, 054071 (2023).
  19. J. Zhang, B. Peng, Ş. K. Özdemir, K. Pichler, D. O. Krimer, G. Zhao, F. Nori, Y.-x. Liu, S. Rotter,  and L. Yang, “A phonon laser operating at an exceptional point,” Nature Photonics 12, 479–484 (2018).
  20. I. S. Grudinin, H. Lee, O. Painter,  and K. J. Vahala, “Phonon laser action in a tunable two-level system,” Phys. Rev. Lett. 104, 083901 (2010).
  21. C. A. Potts, E. Varga, V. A. S. V. Bittencourt, S. Viola-Kusminskiy,  and J. P. Davis, “Dynamical backaction magnomechanics,” Physical Review X 11, 031053 (2021).
  22. P. Parsa, P. K. Shandilya, D. P. Lake, M. E. Mitchell,  and P. E. Barclay, “Feedback enhanced phonon lasing of a microwave frequency resonator,” arXiv preprint arXiv:2308.09130  (2023).
  23. T. J. Kippenberg and K. J. Vahala, “Cavity optomechanics: back-action at the mesoscale,” science 321, 1172–1176 (2008).
  24. W. Bron and W. Grill, “Stimulated phonon emission,” Physical Review Letters 40, 1459 (1978).
  25. S. Wallentowitz, W. Vogel, I. Siemers,  and P. Toschek, “Vibrational amplification by stimulated emission of radiation,” Physical Review A 54, 943 (1996).
  26. I. Camps, S. Makler, H. Pastawski,  and L. F. Torres, “Gaas- al x ga 1- x as double-barrier heterostructure phonon laser: A full quantum treatment,” Physical Review B 64, 125311 (2001).
  27. J. McKeever, A. Boca, A. D. Boozer, J. R. Buck,  and H. J. Kimble, “Experimental realization of a one-atom laser in the regime of strong coupling,” Nature 425, 268–271 (2003).
  28. F. Dubin, C. Russo, H. G. Barros, A. Stute, C. Becher, P. O. Schmidt,  and R. Blatt, “Quantum to classical transition in a single-ion laser,” Nature Physics 6, 350–353 (2010).
  29. K. An, J. J. Childs, R. R. Dasari,  and M. S. Feld, “Microlaser: A laser with one atom in an optical resonator,” Physical review letters 73, 3375 (1994).
  30. Y. Mu and C. Savage, “One-atom lasers,” Physical Review A 46, 5944 (1992).
  31. S. Ashhab, J. Johansson, A. Zagoskin,  and F. Nori, “Single-artificial-atom lasing using a voltage-biased superconducting charge qubit,” New Journal of Physics 11, 023030 (2009).
  32. M. Bild, M. Fadel, Y. Yang, U. von Lüpke, P. Martin, A. Bruno,  and Y. Chu, “Schrödinger cat states of a 16-microgram mechanical oscillator,” Science 380, 274–278 (2023).
  33. M. F. Gely and G. A. Steele, “Superconducting electro-mechanics to test diósi-penrose effects of general relativity in massive superpositions,” AVS Quantum Science 3, 035601 (2021).
  34. B. Schrinski, Y. Yang, U. von Lüpke, M. Bild, Y. Chu, K. Hornberger, S. Nimmrichter,  and M. Fadel, “Macroscopic quantum test with bulk acoustic wave resonators,” Phys. Rev. Lett. 130, 133604 (2023).
  35. M. Wybourne and J. Wigmore, “Phonon spectroscopy,” Reports on Progress in Physics 51, 923 (1988).
  36. O. Romero-Isart, A. C. Pflanzer, F. Blaser, R. Kaltenbaek, N. Kiesel, M. Aspelmeyer,  and J. I. Cirac, “Large quantum superpositions and interference of massive nanometer-sized objects,” Phys. Rev. Lett. 107, 020405 (2011).
  37. U. von Lüpke, I. C. Rodrigues, Y. Yang, M. Fadel,  and Y. Chu, “Engineering phonon-phonon interactions in multimode circuit quantum acousto-dynamics,” arXiv preprint arXiv:2303.00730  (2023).
  38. U. von Lüpke, Y. Yang, M. Bild, L. Michaud, M. Fadel,  and Y. Chu, “Parity measurement in the strong dispersive regime of circuit quantum acoustodynamics,” Nature Physics 18, 794–799 (2022).
  39. Y. Chu, P. Kharel, T. Yoon, L. Frunzio, P. T. Rakich,  and R. J. Schoelkopf, “Creation and control of multi-phonon fock states in a bulk acoustic-wave resonator,” Nature 563, 666–670 (2018).
  40. Y. Chu, P. Kharel, W. H. Renninger, L. D. Burkhart, L. Frunzio, P. T. Rakich,  and R. J. Schoelkopf, “Quantum acoustics with superconducting qubits,” Science 358, 199–202 (2017).
  41. A. Välimaa, W. Crump, M. Kervinen,  and M. A. Sillanpää, “Multiphonon transitions in a quantum electromechanical system,” Phys. Rev. Appl. 17, 064003 (2022).
  42. W. Crump, A. Välimaa,  and M. A. Sillanpää, “Coupling high-overtone bulk acoustic wave resonators via superconducting qubits,” arXiv preprint arXiv:2307.05544  (2023).
  43. P. Krantz, M. Kjaergaard, F. Yan, T. P. Orlando, S. Gustavsson,  and W. D. Oliver, “A quantum engineer’s guide to superconducting qubits,” Applied physics reviews 6 (2019).
  44. M. Reed, L. DiCarlo, B. Johnson, L. Sun, D. Schuster, L. Frunzio,  and R. Schoelkopf, “High-fidelity readout in circuit quantum electrodynamics using the jaynes-cummings nonlinearity,” Physical review letters 105, 173601 (2010).
  45. J. Gambetta, A. Blais, D. I. Schuster, A. Wallraff, L. Frunzio, J. Majer, M. H. Devoret, S. M. Girvin,  and R. J. Schoelkopf, “Qubit-photon interactions in a cavity: Measurement-induced dephasing and number splitting,” Physical Review A 74, 042318 (2006).
  46. D. Lachance-Quirion, Y. Tabuchi, S. Ishino, A. Noguchi, T. Ishikawa, R. Yamazaki,  and Y. Nakamura, “Resolving quanta of collective spin excitations in a millimeter-sized ferromagnet,” Science Advances 3, e1603150 (2017).
  47. D. Schuster, A. Wallraff, A. Blais, L. Frunzio, R.-S. Huang, J. Majer, S. Girvin,  and R. J. Schoelkopf, “ac stark shift and dephasing of a superconducting qubit strongly coupled to a cavity field,” Physical Review Letters 94, 123602 (2005).
  48. “Scixel,” https://scixel.es/, accessed: 2023-09-28.
  49. D. J. Thoen, B. G. C. Bos, E. Haalebos, T. Klapwijk, J. Baselmans,  and A. Endo, “Superconducting nbtin thin films with highly uniform properties over a 100 mm wafer,” IEEE Transactions on Applied Superconductivity 27, 1–5 (2016).
  50. J. R. Johansson, P. D. Nation,  and F. Nori, “Qutip: An open-source python framework for the dynamics of open quantum systems,” Computer Physics Communications 183, 1760–1772 (2012).
Citations (1)
View on Semantic Scholar

Summary

We haven't generated a summary for this paper yet.

Ai Sparkles Streamline Icon: https://streamlinehq.com Summarize Now