Photon-mediated interactions between atoms are of fundamental importance in quantum optics, quantum simulations and quantum information processing. The exchange of real and virtual photons between atoms gives rise to non-trivial interactions the strength of which decreases rapidly with distance in three dimensions. Here we study much stronger photon mediated interactions using two superconducting qubits in an open onedimensional transmission line. Making use of the unique possibility to tune these qubits by more than a quarter of their transition frequency we observe both coherent exchange interactions at an effective separation of $3\lambda/4$ and the creation of super- and sub-radiant states at a separation of one photon wavelength $\lambda$. This system is highly suitable for exploring collective atom/photon interactions and applications in quantum communication technology.

We study the collective effects that emerge in waveguide quantum electrodynamics where several (artificial) atoms are coupled to a one-dimensional superconducting transmission line. Since single microwave photons can travel without loss for a long distance along the line, real and virtual photons emitted by one atom can be reabsorbed or scattered by a second atom. Depending on the distance between the atoms, this collective effect can lead to super- and subradiance or to a coherent exchange-type interaction between the atoms. Changing the artificial atoms transition frequencies, something which can be easily done with superconducting qubits (two levels artificial atoms), is equivalent to changing the atom-atom separation and thereby opens the possibility to study the characteristics of these collective effects. To study this waveguide quantum electrodynamics system, we extend previous work and present an effective master equation valid for an ensemble of inhomogeneous atoms driven by a coherent state. Using input-output theory, we compute analytically and numerically the elastic and inelastic scattering and show how these quantities reveal information about collective effects. These theoretical results are compatible with recent experimental results using transmon qubits coupled to a superconducting one-dimensional transmission line [A.~F.~van Loo {\it et al.}].

Abstract The Center for Axion and Precision Physics Research at the Institute for Basic Science in Republic of Korea is home to multiple active axion search experiments using cavity haloscopes that operate within the frequency range of 1–6 GHz. The haloscopes convert axions to photons, resulting in an output power of about 10 $${^{-24}}$$  - 24  –10 $${^{-22}}$$  - 22  W. To detect such a small signal amidst noise, quantum-limited noise amplifiers and ultra-low-temperature environment (a few tenths of mK) are required for all critical readout components to minimize noise from all active and passive lossy components. Our primary objective is to achieve the highest possible scanning-frequency speed, which includes the time for maintenance and system calibration. This paper presents the development and operation of low-noise amplifiers for haloscope experiments targeting different frequency ranges and provides design, operational, and performance details of the amplifiers.

We report an extensive high-sensitivity search for axion dark matter above 1 GHz at the Center for Axion and Precision Physics Research (CAPP). The cavity resonant search, exploiting the coupling between axions and photons, explored the frequency (mass) range of 1.025 GHz (4.24  μeV) to 1.185 GHz (4.91  μeV). We have introduced a number of innovations in this field, demonstrating the practical approach of optimizing all the relevant parameters of axion haloscopes, extending presently available technology. The CAPP 12 T magnet with an aperture of 320 mm made of Nb3Sn and NbTi superconductors surrounding a 37 l ultralight-weight copper cavity is expected to convert Dine-Fischler-Srednicki-Zhitnitsky axions into approximately 102 microwave photons per second. A powerful dilution refrigerator, capable of keeping the core system below 40 mK, combined with quantum-noise-limited readout electronics, achieved a total system noise of about 200 mK or below, which corresponds to a background of roughly 4×103 photons per second within the axion bandwidth. The combination of all those improvements provides unprecedented search performance, imposing the most stringent exclusion limits on axion-photon coupling in this frequency range to date. These results also suggest an experimental capability suitable for highly sensitive searches for axion dark matter above 1 GHz. Published by the American Physical Society 2024

The cavity haloscope is among the most widely adopted experimental platforms designed to detect dark matter axions with its principle relying on the conversion of axions into microwave photons in the presence of a strong magnetic field. The Josephson parametric amplifier (JPA), known for its quantum-limited noise characteristics, has been incorporated into the detection system to capture the weakly interacting axion signals. However, the performance of the JPA can be influenced by its environment, leading to the potential unreliability of a predefined parameter set obtained in a specific laboratory setting. Furthermore, conducting a broadband search requires the consecutive characterization of the amplifier across different tuning frequencies. To ensure more reliable measurements, we utilize the Nelder–Mead technique as a numerical search method to dynamically determine the optimal operating conditions. This heuristic search algorithm explores the multidimensional parameter space of the JPA, optimizing critical characteristics such as gain and noise temperature to maximize signal-to-noise ratios for a given experimental setup. Our study presents a comprehensive analysis of the properties of a flux-driven JPA to demonstrate the effectiveness of the algorithm. This approach contributes to ongoing efforts in axion dark matter research by offering an efficient method to enhance axion detection sensitivity through the optimized utilization of JPAs.