Circuit Cavity QED with Macroscopic Solid-State Spin Ensembles

این پایان نامه مهندسی برق کوانتومی را با رزونانس اسپین الکترون، با تاکید بر کشف پدیده های اسپین جمعی در حال ظهور، ترکیب می کند. آزمایش‌های ارائه‌شده، با اولین نمایش اثر حفاظتی حفره، سوزاندن حفره‌های طیفی و دوپایداری در فوتونیک مایکروویو، زمینه جدیدی را در زمینه سیستم‌های کوانتومی ترکیبی پوشش می‌دهند. پایان نامه در سطح پایه شروع می شود و ماهیت اثرات جمعی را با جزئیات زیاد توضیح می دهد. مفهوم اسپین به اسپین حالت‌های دیک را توسعه می‌دهد و آن را به مدار الکترودینامیک کوانتومی (QED) معرفی می‌کند و آن را برای یک سیستم کوانتومی هیبریدی قویاً جفت شده مورد مطالعه در یک رژیم گسترده از چندین سناریو مختلف به کار می‌برد. همچنین نمایش‌های تجربی از جمله جفت شدن قوی، نوسانات رابی، دینامیک غیرخطی، اثر حفاظتی حفره، سوزاندن حفره‌های طیفی، دوپایداری دامنه و طیف‌سنجی اکو اسپین را ارائه می‌دهد.

This thesis combines quantum electrical engineering with electron spin resonance, with an emphasis on unraveling emerging collective spin phenomena. The presented experiments, with first demonstrations of the cavity protection effect, spectral hole burning and bistability in microwave photonics, cover new ground in the field of hybrid quantum systems. The thesis starts at a basic level, explaining the nature of collective effects in great detail. It develops the concept of Dicke states spin-by-spin, and introduces it to circuit quantum electrodynamics (QED), applying it to a strongly coupled hybrid quantum system studied in a broad regime of several different scenarios. It also provides experimental demonstrations including strong coupling, Rabi oscillations, nonlinear dynamics, the cavity protection effect, spectral hole burning, amplitude bistability and spin echo spectroscopy.