We present a hybrid system consisting of a superconducting coplanar waveguide resonator coupled to a nanomechanical string and a transmon qubit acting as a nonlinear circuit element. We perform spectroscopy for both the transmon qubit and the nanomechanical string. Measuring the ac-Stark shift on the transmon qubit and the electromechanically induced absorption on the string allows us to determine the average photon number in the microwave resonator in both the low and high power regimes. In this way, we measure photon numbers that are up to nine orders of magnitude apart. We find a quantitative agreement between the calibrations of photon numbers in the microwave resonator using the two methods. Our experiments demonstrate the combination of superconducting circuit quantum electrodynamics and nano-electromechanics on a single chip.

1.
V.
Braginsky
,
V.
Braginskiĭ
,
F.
Khalili
, and
K.
Thorne
,
Quantum Measurements
(
Cambridge University Press
,
Cambridge
,
1995
).
2.
Cavity Optomechanics, Quantum Science and Technology
, edited by
M.
Aspelmeyer
,
T. J.
Kippenberg
, and
F.
Marquardt
(
Springer
,
Berlin
,
2016
).
3.
E. E.
Wollman
,
C. U.
Lei
,
A. J.
Weinstein
,
J.
Suh
,
A.
Kronwald
,
F.
Marquardt
,
A. A.
Clerk
, and
K. C.
Schwab
,
Science
349
,
952
(
2015
).
4.
J.-M.
Pirkkalainen
,
E.
Damskägg
,
M.
Brandt
,
F.
Massel
, and
M. A.
Sillanpää
,
Phys. Rev. Lett.
115
,
243601
(
2015
).
5.
F.
Lecocq
,
J. B.
Clark
,
R. W.
Simmonds
,
J.
Aumentado
, and
J. D.
Teufel
,
Phys. Rev. X
5
,
041037
(
2015
).
6.
C. U.
Lei
,
A. J.
Weinstein
,
J.
Suh
,
E. E.
Wollman
,
A.
Kronwald
,
F.
Marquardt
,
A. A.
Clerk
, and
K. C.
Schwab
,
Phys. Rev. Lett.
117
,
100801
(
2016
).
7.
V. C.
Vivoli
,
T.
Barnea
,
C.
Galland
, and
N.
Sangouard
,
Phys. Rev. Lett.
116
,
070405
(
2016
).
8.
S. G.
Hofer
,
K. W.
Lehnert
, and
K.
Hammerer
,
Phys. Rev. Lett.
116
,
070406
(
2016
).
9.
M.
Abdi
,
P.
Degenfeld-Schonburg
,
M.
Sameti
,
C.
Navarrete-Benlloch
, and
M. J.
Hartmann
,
Phys. Rev. Lett.
116
,
233604
(
2016
).
10.
K.
Børkje
,
Phys. Rev. A
94
,
043816
(
2016
).
11.
M.
Abdi
,
M.
Pernpeintner
,
R.
Gross
,
H.
Huebl
, and
M.
Hartmann
,
Phys. Rev. Lett.
114
,
173602
(
2015
).
12.
C. A.
Regal
,
J. D.
Teufel
, and
K. W.
Lehnert
,
Nat. Phys.
4
,
555
(
2008
).
13.
R. J.
Schoelkopf
and
S. M.
Girvin
,
Nature
451
,
664
(
2008
).
14.
X.
Gu
,
A. F.
Kockum
,
A.
Miranowicz
,
Y.-X.
Liu
, and
F.
Nori
,
Phys. Rep.
718–719
,
1
(
2017
).
15.
A.
Wallraff
,
D. I.
Schuster
,
A.
Blais
,
L.
Frunzio
,
R.-S.
Huang
,
J.
Majer
,
S.
Kumar
,
S. M.
Girvin
, and
R. J.
Schoelkopf
,
Nature
431
,
162
(
2004
).
16.
A.
Blais
,
R.
Huang
,
A.
Wallraff
,
S.
Girvin
, and
R.
Schoelkopf
,
Phys. Rev. A
69
,
062320
(
2004
).
17.
T.
Niemczyk
,
F.
Deppe
,
H.
Huebl
,
E. P.
Menzel
,
F.
Hocke
,
M. J.
Schwarz
,
J. J.
Garcia-Ripoll
,
D.
Zueco
,
T.
Hümmer
,
E.
Solano
,
A.
Marx
, and
R.
Gross
,
Nat. Phys.
6
,
772
(
2010
).
18.
A.
Baust
,
E.
Hoffmann
,
M.
Haeberlein
,
M. J.
Schwarz
,
P.
Eder
,
J.
Goetz
,
F.
Wulschner
,
E.
Xie
,
L.
Zhong
,
F.
Quijandría
,
D.
Zueco
,
J.-J. G.
Ripoll
,
L.
García-Álvarez
,
G.
Romero
,
E.
Solano
,
K. G.
Fedorov
,
E. P.
Menzel
,
F.
Deppe
,
A.
Marx
, and
R.
Gross
,
Phys. Rev. B
93
,
214501
(
2016
).
19.
P.
Forn-Díaz
,
J. J.
García-Ripoll
,
B.
Peropadre
,
J.-L.
Orgiazzi
,
M. A.
Yurtalan
,
R.
Belyansky
,
C. M.
Wilson
, and
A.
Lupascu
,
Nat. Phys.
13
,
39
(
2016
).
20.
F.
Yoshihara
,
T.
Fuse
,
S.
Ashhab
,
K.
Kakuyanagi
,
S.
Saito
, and
K.
Semba
,
Phys. Rev. A
95
,
053824
(
2017
).
21.
J.
Johansson
,
S.
Saito
,
T.
Meno
,
H.
Nakano
,
M.
Ueda
,
K.
Semba
, and
H.
Takayanagi
,
Phys. Rev. Lett.
96
,
127006
(
2006
).
22.
D. I.
Schuster
,
A. A.
Houck
,
J. A.
Schreier
,
A.
Wallraff
,
J. M.
Gambetta
,
A.
Blais
,
L.
Frunzio
,
J.
Majer
,
B.
Johnson
,
M. H.
Devoret
,
S. M.
Girvin
, and
R. J.
Schoelkopf
,
Nature
445
,
515
(
2007
).
23.
M.
Hofheinz
,
E. M.
Weig
,
M.
Ansmann
,
R. C.
Bialczak
,
E.
Lucero
,
M.
Neeley
,
A. D.
O'Connell
,
H.
Wang
,
J. M.
Martinis
, and
A. N.
Cleland
,
Nature
454
,
310
(
2008
).
24.
C.
Eichler
,
D.
Bozyigit
,
C.
Lang
,
L.
Steffen
,
J.
Fink
, and
A.
Wallraff
,
Phys. Rev. Lett.
106
,
220503
(
2011
).
25.
E. P.
Menzel
,
R.
Di Candia
,
F.
Deppe
,
P.
Eder
,
L.
Zhong
,
M.
Ihmig
,
M.
Haeberlein
,
A.
Baust
,
E.
Hoffmann
,
D.
Ballester
,
K.
Inomata
,
T.
Yamamoto
,
Y.
Nakamura
,
E.
Solano
,
A.
Marx
, and
R.
Gross
,
Phys. Rev. Lett.
109
,
250502
(
2012
).
26.
Y.
Chen
,
C.
Neill
,
P.
Roushan
,
N.
Leung
,
M.
Fang
,
R.
Barends
,
J.
Kelly
,
B.
Campbell
,
Z.
Chen
,
B.
Chiaro
,
A.
Dunsworth
,
E.
Jeffrey
,
A.
Megrant
,
J. Y.
Mutus
,
P. J. J.
O'Malley
,
C. M.
Quintana
,
D.
Sank
,
A.
Vainsencher
,
J.
Wenner
,
T. C.
White
,
M. R.
Geller
,
A. N.
Cleland
, and
J. M.
Martinis
,
Phys. Rev. Lett.
113
,
220502
(
2014
).
27.
J.-M.
Pirkkalainen
,
S. U.
Cho
,
F.
Massel
,
J.
Tuorila
,
T. T.
Heikkilä
,
P. J.
Hakonen
, and
M. A.
Sillanpää
,
Nat. Commun.
6
,
6981
(
2015
).
28.
A.
O'Connel
,
M.
Hofheinz
,
M.
Ansmann
,
R. C.
Bialczak
,
M.
Lenander
,
E.
Lucero
,
M.
Neeley
,
D.
Sank
,
H.
Wang
,
M.
Weides
,
J.
Wenner
,
J.
Martinis
, and
A. N.
Cleland
,
Nature
464
,
697
(
2010
).
29.
J. J.
Viennot
,
X.
Ma
, and
K. W.
Lehnert
, “
Phonon number sensitive electromechanics
,” e-print arXiv:1808.02673.
30.
M.
Aspelmeyer
,
T.
Kippenberg
, and
F.
Marquardt
,
Rev. Mod. Phys.
86
,
1391
(
2014
).
31.
A.
Clerk
,
M.
Devoret
,
S.
Girvin
,
F.
Marquardt
, and
R.
Schoelkopf
,
Rev. Mod. Phys.
82
,
1155
(
2010
).
32.
D. F.
Walls
and
G.
Milburn
,
Quantum Optics
, 2nd ed. (
Springer-Verlag
,
Berlin, Heidelberg
,
2008
).
33.
J.
Teufel
,
D.
Li
,
M.
Allman
,
K.
Cicak
,
A.
Siruis
,
J.
Whittaker
,
K.
Lehnert
, and
R.
Simmonds
,
Nature
471
,
204
(
2011
).
34.
F.
Hocke
,
X.
Zhou
,
A.
Schliesser
,
T.
Kippenberg
,
H.
Huebl
, and
R.
Gross
,
New J. Phys.
14
,
123037
(
2012
).
35.
X.
Zhou
,
F.
Hocke
,
A.
Marx
,
H.
Huebl
,
R.
Gross
, and
T.
Kippenberg
,
Nat. Phys.
9
,
179
(
2013
).
36.
T.
Bagci
,
A.
Simonsen
,
S.
Schmid
,
L. G.
Villanueva
,
E.
Zeuthen
,
J.
Appel
,
J. M.
Taylor
,
A.
Sørensen
,
K.
Usami
,
A.
Schliesser
, and
E. S.
Polzik
,
Nature
507
,
81
(
2014
).
37.
V.
Singh
,
S. J.
Bosman
,
B. H.
Schneider
,
Y. M.
Blanter
,
A.
Castellanos-Gomez
, and
G. A.
Steele
,
Nat. Nanotechnol.
9
,
820
(
2014
).
38.
J.
Koch
,
T.
Yu
,
J.
Gambetta
,
A.
Houck
,
D.
Schuster
,
J.
Majer
,
A.
Blais
,
M.
Devoret
,
S.
Girvin
, and
R.
Schoelkopf
,
Phys. Rev. A
76
,
042319
(
2007
).
39.
J.
Goetz
,
F.
Deppe
,
P.
Eder
,
M.
Fischer
,
M.
Muetting
,
J.
Martinez
,
S.
Pogorzalek
,
F.
Wulschner
,
E.
Xie
,
K.
Federov
,
A.
Marx
, and
R.
Gross
,
Quantum Sci. Technol.
2
,
025002
(
2017
).
40.
J.
Goetz
,
S.
Pogorzalek
,
F.
Deppe
,
K.
Federov
,
P.
Eder
,
M.
Fischer
,
F.
Wulschner
,
E.
Xie
,
A.
Marx
, and
R.
Gross
,
Phys. Rev. Lett.
118
,
103602
(
2017
).
41.
S.
Weis
,
R.
Rivière
,
S.
Deléglise
,
E.
Gavartin
,
O.
Arcizet
,
A.
Schliesser
, and
T. J.
Kippenberg
,
Science
330
,
1520
(
2010
).
42.
M.
Boissonneault
,
J. M.
Gambetta
, and
A.
Blais
,
Phys. Rev. A
79
,
013819
(
2009
).
43.
J.
Raftery
,
D.
Sadri
,
S.
Schmidt
,
H. E.
Türeci
, and
A. A.
Houck
,
Phys. Rev. X
4
,
031043
(
2014
).
44.
A.
Schneider
,
J.
Braumüller
,
L.
Guo
,
P.
Stehle
,
H.
Rotzinger
,
M.
Marthaler
,
A. V.
Ustinov
, and
M.
Weides
,
Phys. Rev. A
97
,
062334
(
2018
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.