[論文レビュー] Qubit decay in circuit quantum thermodynamics

J. P. Pekola, Bayan Karimi|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2020

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics参考文献 16被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、エネルギーと結合強度が多様なオシレーターの浴に結合するキュービットの崩壊を、数値シミュレーション（最大10⁶個のオシレーター）と解析的解法を用いて、回路量子熱力学におけるキュービットの崩壊を調査している。3つの緩和領域（2次（ゼノン）、指数関数的、累乗則）を特定し、量子熱力学への応用を通じて、浴の分割によって低エネルギー光子の検出が可能になること、およびオープン系における量子古典境界の明確化を示している。

ABSTRACT

We describe a qubit linearly coupled to a heat bath, either directly or via a cavity. The bath is formed of oscillators with a distribution of energies and coupling strengths, both for qubit-oscillator and oscillator-oscillator interaction. A direct numerical solution of the Schrodinger equation for the full system including up to $10^6$ oscillators in the bath and analytic solutions are given, verifying quantum decay in short time quadratic (Zeno), long time exponential and eventually power law relaxation regimes. The main new results of the paper deal with applications and implications in quantum thermodynamics setups. We start by providing a correspondence of the oscillator bath to a resistor in a circuit. With the presented techniques we can then shed light on two topical questions of open quantum systems. First, splitting a quantum to uncoupled baths is presented as an opportunity for detection of low energy photons. Second, we address quantitatively the question of separation between a quantum system and its classical environment.

研究の動機と目的

• 構造化されたオシレーター浴を有する現実的なオープン量子系におけるキュービットの崩壊をモデル化すること。
• 短時間におけるゼノン、中間時間における指数関数的、長時間における累乗則緩和領域への遷移を理解すること。
• 特に低エネルギー光子の検出を可能にする浴の分割を用いて、モデルを量子熱力学に応用すること。
• オープン量子系における量子系と古典的環境との分離を定量的に分析すること。

提案手法

• キュービットをエネルギーと結合強度が分布する調和オシレーターの浴に線形に結合させたモデルを構築する。
• 最大10⁶個のオシレーターを有する系について、シュレーディンガー方程式の直接数値解法を実行する。
• 解析的解法を用いて数値結果の妥当性を検証し、補完する。
• オシレーター浴を回路における抵抗に写像することで、実験的回路量子電磁力学の設定と直接結びつける。
• 光子検出を目的として、浴を結合のないサブ浴に分割する効果を調査する。
• 系と環境の相関関係およびデコherenceダイナミクスを分析することで、量子から古典への遷移を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 構造化されたオシレーター浴において、キュービットの崩壊はどのような時間スケールで変化するか？
• RQ2 浴の分割によって、回路量子熱力学における低エネルギー光子の検出が可能になるか？
• RQ3 浴の構造がキュービットの緩和領域を決定づける役割を果たすか？
• RQ4 オープン量子系において、量子古典境界を定量的に定義する方法は何か？
• RQ5 キャビティの存在が、熱的浴におけるキュービットの崩壊ダイナミクスにどの程度影響を及えるか？

主な発見

• 系は、短時間では2次（ゼノン）的崩壊から始まり、中間時間では指数関数的崩壊へと移行し、最終的には長時間で累乗則緩和に至ることが明確に観察された。
• 最大10⁶個のオシレーターを用いた数値シミュレーションが、すべての3つの緩和領域において解析的予測を確認した。
• 浴の分割により、主浴から弱く結合されたモードを分離することで、低エネルギー光子の効果的検出が可能になった。
• オシレーター浴と回路内抵抗との対応関係が、実験的回路量子電磁力学の設定と直接結びつくことを示した。
• 浴に起因するデコherence解析を通じて、量子系と古典的環境との分離を定量的に明確化するフレームワークを提供した。
• 結果から、特に結合強度の分布が、キュービットの緩和の性質を決定づける重要な役割を果たすことが示された。