Phase-space dynamics of a quantum dissipative Kerr nonlinear oscillator

Thumbnail Image

Files

Karjula_Matias_2025.pdf (7.09 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Perustieteiden korkeakoulu | Bachelor's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2025-10-24

Department

Major/Subject

Teknillinen fysiikka

Mcode

SCI3028

Degree programme

Teknistieteellinen kandidaattiohjelma

Language

en

Pages

36

Series

Abstract

Parametrically driven Kerr nonlinear quantum oscillator plays a central role in quantum optics, superconducting circuits, and in engineered light-matter interactions. For the development of future quantum technologies, it is crucial to understand the behavior of this quantum system under realistic dissipative conditions. The objective of this thesis is to investigate the phase-space dynamics of a dissipative Kerr nonlinear oscillator under different driving regimes and corresponding dissipation channels, with a particular focus on the emergence of nonclassical features in phase space. The aim is also to understand how nonlinearity and different driving mechanisms influence quantum properties such as coherence, nonclassicality, and phase-space structure. The analysis was carried out using the Wigner phase-space formalism and numerical simulations of the Lindblad master equation. The results show that in the case of finite nonlinearity the coherence time is prolonged compared to the harmonic case. In the single photon regime, the interplay between the photon drive and nonlinearity can lead to coherence revivals after which the system relaxes into a squeezed steady state. In the two photon and dissipation regime, the system exhibits parity-protected dynamics, leading to very long coherence times.

Parametrisesti ajettu Kerr-epälineaarinen kvanttivärähtelijä on keskeinen järjestelmä kvanttioptiikassa, suprajohtavissa piireissä sekä valon ja aineen vuorovaikutuksissa. Tulevaisuuden kvanttiteknologioiden kehittämisen kannalta on tärkeää ymmärtää kvanttijärjestelmien käyttäytyminen realistisissa dissipatiivisissa olosuhteissa. Tämän työssä tarkastellaan dissipatiivisen Kerr-epälineaarisen värähtelijän vaiheavaruusdynamiikkaa erilaisilla ajomekanismeilla ja vastaavilla dissipaatiokanavilla, erityisesti keskittyen epäklassisten piirteiden syntyyn vaiheavaruudessa. Lisäksi tutkitaan, miten epälineaarisuus ja erilaiset ajomekanismit vaikuttavat kvanttiominaisuuksiin, kuten kvanttikoherenssiin, epäklassisuuteen ja vaiheavaruusrakenteeseen. Analyysi toteutetaan Wignerin vaiheavaruusformalismin avulla ja numeerisesti simuloimalla Lindbladin mestariyhtälöä. Tulokset osoittavat, että Kerr-epälineaarisuus pidentää systeemin havaittua koherenssiaikaa verrattuna harmoniseen värähtelijään. Yhden fotonin ajossa sekä dissipaatiokanavassa fotoniajon sekä epälineaarisuuden yhteispeli voi johtaa systeemin koherenssin kasvamiseen hetkellisesti ja tasapainotila on puristettu tila. Kahden fotonin ajossa sekä dissipaatiokanavassa systeemin dynamiikka on topologisesti suojattua, joka johtaa hyvin pitkiin koherenssiaikoihin. Tulokset syventävät ymmärrystä avoimien epälineaaristen kvanttijärjestelmien dynamiikasta ja voivat tukea stabiloitujen kvanttitilojen ja kubittien kehitystä tulevaisuuden kvanttiteknologioissa.

Description

Supervisor

Ala-Nissilä, Tapio

Thesis advisor

Kumar, Jishad

Keywords

phase-space dynamics, Lindblad master-equation, Wigner function, Wigner current

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202511048632

Collections

[kand] Perustieteiden korkeakoulu / SCI