<html>

<body>

<br><br>

Special Seminar<br>

Wednesday August 25th at 4pm<br>

13-3028 (conference room on the third floor of Building 13)<br><br>

<br>

<font face="CMBX12">Circuit-QED with Superconducting Flux Qubits.<br>

</font><font face="CMR10" size=3>Matteo Mariantoni<br>

</font><font face="CMR10">Walther-Meissner-Institut,<br>

&nbsp;<br><br>

<font face="CMR10" size=3>in collaboration with Markus J.

Storcz<font face="CMR8" size=1>3<font face="CMR10" size=3>,

Frank K.

Wilhelm</font><font face="CMR10" size=1>,</font><font face="CMR10" size=3>

Achim Marx, and<br>

Rudolf Gross<br><br>

<br><br>

The symbiosis of cavity-quantum-electrodynamics (cQED) [1] and

superconducting<br>

quantum bit (qubit) circuits has gained great interest lately. This

scheme can drastically<br>

improve the decoherence properties of superconducting qubits and allows

for<br>

the manipulation and reading-out of qubits more easily than existing

architectures.<br>

Wallraff <font face="Arial, Helvetica" size=3>et al.

</i></font><font face="CMR10" size=3>recently proposed [2, 3, 4] coupling

a superconducting charge<br>

qubit to a one-dimensional transmission line resonator. They have shown

that the<br>

transmission line resonator acts as a cavity whose photons can be

strongly coupled<br>

to the quantized excitations of an adjacent qubit. As a consequence, a

dispersive<br>

read-out of the qubit can be performed. The transmission line resonator

can also<br>

be used to prepare the state of the qubit, control it, and entangle

additional qubits.<br>

Moreover, the qubit lifetime is expected to be effectively 

enhanced.<br>

A realizable design proposal of a microcavity for superconducting flux

qubits does<br>

not yet exist, although flux qubits are promising candidates for quantum

computing<br>

because of their long decoherence times and their simple design. We

propose to<br>

embed a three-Josephson-junctions flux qubit [5] into a high quality

factor microstrip<br>

resonator [6, 7, 8] which will serve as our cavity. The microstrip

resonator can<br>

be fabricated using a Nb thin-film coil separated from a Nb ground-plane

by an<br>

insulating layer. The microstrip resonator is inductively coupled to a

qubit placed<br>

inside the innermost turn of the coil. Furthermore, the microstrip can

also serve<br>

as a dc-flux-bias line. A similar structure has been used in Refs. [7, 8]

to probe<br>

and control flux qubits in a different way. In these experiments, the

resonator used<br>

was made of lumped elements and was extremely detuned from the

characteristic<br>

frequency of the qubit, thus yielding a very weak cavity-qubit coupling.

We calculate<br>

the vacuum Rabi frequency for the coupling [1, 3, 4, 9, 10] between the

cavity<br>

mode and the qubit pseudo-spin and show that, with an accurate design of

the<br>

microstrip resonator, the strong coupling limit of cQED can be achieved.

Moreover,<br>

we investigate the control and read-out of flux qubits in the cavity,

propose a scheme<br>

for coupling several qubits by way of cavity photons, and analyze the

characteristic<br>

decay rates of the system.<br>

</font><font face="CMBX12" size=4>References<br>

</font><font face="CMR10">[1] J. M. Raimond, M. Brune, and S. Haroche,

Rev.Mod. Phys. <font face="CMBX10">73<font face="CMR10">,

565 (2001).<br>

[2] A.Wallraff, D. I. Schuster, A. Blais, L. Frunzio, R.-S. Huang,

J.Majer, S. Kumar,<br>

S. M. Girvin, and R. J. Schoelkopf, accepted for publication in Nature

(2004), condmat/<br>

0407325.<br>

[3] S. M. Girvin, R.-S. Huang, A. Blais, A.Wallraff, and R. J.

Schoelkopf, Proceedings of<br>

Les Houches Summer School, Session LXXIX, Quantum Entanglement and

Information<br>

Processing (2003), cond-mat/0310670.<br>

[4] A. Blais, R.-S. Huang, A.Wallraff, S. M. Girvin, and R. J.

Schoelkopf, Phys. Rev.A</font><font face="CMBX10">69<br>

</font><font face="CMR10">(2004), cond-mat/0402216.<br>

[5] J. E.Mooij, T.P. Orlando, L. Levitov, L. Tian, C. H. van der Wal, and

S. Lloyd, Science<br>

</font><font face="CMBX10">285</font><font face="CMR10">, 1036

(1999).<br>

[6] M.M¨uck and J. Clarke, J. Appl. Phys.

</font><font face="CMBX10">88</font><font face="CMR10">, 6910

(2000).<br>

[7] E. Il’ichev, N. Oukhanski, A. Izmalkov, Th.Wagner, M. Grajcar, H.-G.

Meyer,<br>

A.Yu. Smirnov, A. Massen van den Brink, M. H. S. Amin, and A. M.

Zagoskin, Phys.<br>

Rev. Lett. <font face="CMBX10">91<font face="CMR10">,

097906 (2003).<br>

[8] A. Izmalkov, M. Grajcar, E. Il’ichev, Th.Wagner, H.-G. Meyer, A.Yu.

Smirnov,<br>

M. H. S. Amin, A. Massen van den Brink, and A. M. Zagoskin,

cond-mat/0312332.<br>

[9] C.-P.Yang, S.-I Chu, and S. Han, Phys.

Rev.A</font><font face="CMBX10">67</font><font face="CMR10">, 042311

(2003).<br>

[10] C.-P.Yang, S.-I Chu, and S. Han, Phys. Rev. Lett.

</font><font face="CMBX10">92</font><font face="CMR10">, 117902

(2004).<br>

</font></body>

</html>