[論文レビュー] Quantum-circuit refrigeration of a superconducting microwave resonator well below a single quantum

A.J. Viitanen, Timm Mörstedt+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2023

Quantum and electron transport phenomenaPhysics and Astronomy参考文献 31被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、電圧またはRF駆動制御を用いて、平均1光子未満の状態に超伝導マイクロ波共振器を冷却する1結晶の量子回路冷却器（QCR）の実験的実証を示している。トランスモンキュービットを共振器に結合することで、Fock状態の読み出しを可能とし、連続的および10ナノ秒のパルス駆動の両方で、高速で調整可能なエネルギー散逸を実現し、従来の遅い充電ダイナミクスの問題を解決した。

ABSTRACT

We experimentally demonstrate a recently proposed single-junction quantum-circuit refrigerator (QCR) as an in-situ-tunable low-temperature environment for a superconducting 4.7-GHz resonator. With the help of a transmon qubit, we measure the populations of the different resonator Fock states, thus providing reliable access to the temperature of the engineered electromagnetic environment and its effect on the resonator. We demonstrate coherent and thermal resonator states and that the on-demand dissipation provided by the QCR can drive these to a small fraction of a photon on average, even if starting above 1 K. We observe that the QCR can be operated either with a dc bias voltage or a gigahertz rf drive, or a combination of these. The bandwidth of the rf drive is not limited by the circuit itself and consequently, we show that 2.9-GHz continuous and 10-ns-pulsed drives lead to identical desired refrigeration of the resonator. These observations answer to the shortcomings of previous works where the Fock states were not resolvable and the QCR exhibited slow charging dynamics. Thus this work introduces a versatile tool to study open quantum systems, quantum thermodynamics, and to quickly reset superconducting qubits.

研究の動機と目的

• 従来の二結晶QCRにおける電荷島効果に起因する遅い充電ダイナミクスおよび非指数的崩壊を解消すること。
• 四分音波共振器によるグランドリターン経路を備えた理論的に提案された1結晶QCR設計の実装と検証。
• 現地で制御可能な電圧またはRF駆動による散逸制御を可能とし、共振器状態のリアルタイム冷却を実現すること。
• Fock状態レベルでの冷却共振器の特性評価を行い、高い忠実度で熱状態分布を解明すること。
• 連続的および超短パルス（10ナノ秒）RF駆動の両方で、強固な冷却を実証し、広帯域動作を確認すること。

提案手法

• 1結晶のNISトンネル接合が、四分音波の超伝導コプラナー波ガイド共振器にガルバニックに接続されており、直流電流のグランドリターン経路を提供する。
• QCRは光子補助準粒子トンネル効果によって動作し、バイアス電圧またはRF駆動が共振器からの共鳴的光子吸収を誘発する。
• トランスモンキュービットを分散結合することで、数分離スペクトロスコピーを実施し、個々のFock状態を解像する。
• 準粒子トンネル率から導かれる遷移率を用いてシステムをモデル化し、有効温度および結合強度は正規化された前方トンネル率 $\overrightarrow{F}(E)$ によって定義される。
• 直流バイアスおよび2.9-GHzのRF駆動（連続および10ナノ秒パルス）を用いて散逸を制御し、両者で同一の冷却性能が得られた。
• 理論的モデルでは、$Z_r = \frac{4}{\pi}Z_0$ である集中定数共振器を仮定し、直接接続のための極限 $C_c/C_N = 1$, $E_N = 0$ を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1結晶QCRは、従来の二結晶設計における電荷島非線形性を回避し、高速でクリアかつ調整可能な散逸を実現できるか？
• RQ2 QCRはどれほどまでに共振器を1光子未満の状態に冷却できるか。また、連続的および超短パルス駆動の両方で達成可能か？
• RQ3 冷却中の共振器のFock状態分布は、どの程度の精度で測定可能か。これは熱化過程に何を明らかにするか？
• RQ4 QCRは直流駆動とRF駆動の両方で一貫した性能を示すか。また、回路の制限によって帯域が制限されるか？
• RQ5 QCRは、外部からの加熱によって1Kの熱状態にされた共振器を、実際に冷却できるか。外部加熱に対して耐性があるかを示せるか？

主な発見

• 1結晶QCRは、4.7-GHzの超伝導共振器を平均光子数が1未満になるまで冷却し、1光子未満の状態に到達した。
• 連続的2.9-GHz RF駆動と10ナノ秒パルスRF駆動の両方で、QCRの冷却性能に差がなく、回路の制限を超えた広帯域動作を確認した。
• トランスモンキュービットを用いた数分離スペクトロスコピーにより、Fock状態の分布が解像され、冷却中の共振器の熱状態が直接測定可能となった。
• システムは高速で指数的に近い崩壊ダイナミクスを示し、従来の二結晶QCRにおける遅い充電問題を解決した。
• 1Kの熱状態（平均して約1光子）に加熱された共振器を、QCRが効果的に冷却し、光子数を1の小数分の1にまで低下させた。
• 直流バイアスとRF駆動の両方が散逸率の調整に使用可能であり、性能の劣化は観測されず、QCRの多様性が確認された。