[論文レビュー] Nonequilibrium thermal transport and photon squeezing in a quadratic qubit-resonator system

Chen Wang, Hua Chen+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 16, 2021

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics参考文献 97被引用数 13

ひとこと要約

本稿は、双曲型結合を有するキュービット・レゾネータ系における非平衡熱輸送および光子のひずみを、ドレッシング密度行列方程式とフルカウント統計を用いて調査している。非対称な光子モードダイナミクスに起因して、負の微分熱伝導率および巨大な熱整流効果が明らかになった。また、低温および強いハイブリダイゼーション条件下では強い光子ひずみが観測された。

ABSTRACT

We investigate steady-state thermal transport and photon statistics in a nonequilibrium hybrid quantum system, in which a qubit is longitudinally and quadratically coupled to an optical resonator. Our calculations are conducted with the method of the quantum dressed master equation combined with full counting statistics. The effect of negative differential thermal conductance is unravelled at finite temperature bias, which stems from the suppression of cyclic heat transitions and large mismatch of two squeezed photon modes at weak and strong qubit-resonator hybridizations, respectively. The giant thermal rectification is also exhibited at large temperature bias. It is found that the intrinsically asymmetric structure of the hybrid system and negative differential thermal conductance show the cooperative contribution. Noise power and skewness, as typical current fluctuations, exhibit global maximum with strong hybridization at small and large temperature bias limits, respectively. Moreover, the effect of photon quadrature squeezing is discovered in the strong hybridization and low-temperature regime, which shows asymmetric response to two bath temperatures. These results would provide some insight to thermal functional design and photon manipulation in qubit-resonator hybrid quantum systems.

研究の動機と目的

• 二次キュービット・レゾネータ結合を有するハイブリッド量子系における非平衡熱輸送を理解すること。
• 強い系-バスタイム結合および非線形相互作用が熱的機能に与える役割を分析すること。
• 温度勾配が存在する状況下での光子ひずみおよび電流フラクチュエーションを調査すること。
• 熱整流、負の微分伝導率、および非ガウス型電流統計の相乗的相互作用を明らかにすること。
• 量子熱デバイスおよび回路-QEDプラットフォームにおける光子操作のための理論的枠組みを提供すること。

提案手法

• 縦方向の二次結合（λˆσz(ˆa† + ˆa)²）および有限温度バスタイムを有するキュービット・レゾネータハミルトニアンを定式化する。
• オープン量子系の定常状態ダイナミクスを記述するドレッシングマスター方程式（DME）を導出する。
• 熱電流フラクチュエーション（ノイズ電力および歪度）を計算するためにフルカウント統計（FCS）を適用する。
• ドレッシングハミルトニアンの正確な対角化を用いてスペクトルおよび輸送特性を分析する。
• キュービット-フォトン結合強度およびバスタイム温度勾配を変化させた状況での熱伝導度、整流度、光子ひずみを評価する。
• 非平衡状態における出力場の共分散行列を用いて光子準位のひずみを分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二次結合は、非平衡キュービット・レゾネータ系においてどのように負の微分熱伝導率を引き起こすか？
• RQ2 この系における巨大な熱整流効果の起源は何か。また、ハイブリダイゼーション強度および温度勾配にどのように依存するか？
• RQ3 異なるハイブリダイゼーションおよび温度領域における電流フラクチュエーション（ノイズ電力および歪度）はどのように振る舞うか？
• RQ4 どのような条件下で光子準位のひずみが出現し、また二つのバスタイム温度に対して非対称に応答するか？
• RQ5 強い相関および非線形結合の結果として、電流統計が非ガウス型を示す可能性はあるか？

主な発見

• 弱いおよび強い結合領域において、サイクル的熱遷移の抑制およびモード不一致が原因で、有限の温度勾配下に負の微分熱伝導率（NDTC）が出現する。
• 大きな温度勾配下で、内在的な系の非対称性およびNDTCに起因して、巨大な熱整流効果が観測された。
• 小さな温度勾配下では強いハイブリダイゼーションでノイズ電力が全般的にピークに達するが、大きな温度勾配下では歪度がピークに達する。
• 強いハイブリダイゼーションおよび低温領域で光子準位のひずみが観測され、二つのバスタイム温度に対して非対称な応答を示した。
• 電流フラクチュエーションはハイブリダイゼーション強度に対して非単調的依存を示し、強い相関効果を示唆した。
• DMEとFCSの組み合わせにより、非線形オープン量子系における定常状態輸送および非ガウス型電流統計の正確な特徴付けが可能になった。