[論文レビュー] Thermally driven quantum refrigerator autonomously resets superconducting qubit

Mohammed Ali Aamir, Paul Jamet Suria+5 more|arXiv (Cornell University)|May 26, 2023

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、熱的勾配によって駆動される自律的量子吸収冷蔵機を、超伝導回路を用いて実装し、トランスモンキュービットを23.5 mKの有効温度まで冷却することに成功した。これは被動的熱化によって達成可能な温度より低い。冷蔵機は、目的のキュービットと2つの周波数可変なクイッド（qudit）との間の三体相互作用を介して動作し、外部制御を必要とせず、ホットバーストとコールドバーストの間の温度勾配によってのみ駆動される。定常状態における励起状態の分布は $5 \times 10^{-4} \pm 5 \times 10^{-4}$ に達し、約1.6 $\mu$sで達成された。

ABSTRACT

Although classical thermal machines power industries and modern living, quantum thermal engines have yet to prove their utility. Here, we demonstrate a useful quantum absorption refrigerator formed from superconducting circuits. We use it to cool a transmon qubit to a temperature lower than that achievable with any one available bath, thereby resetting the qubit to an initial state suitable for quantum computing. The process is driven by a thermal gradient and is autonomous, requiring no external feedback. The refrigerator exploits an engineered three-body interaction between the target qubit and two auxiliary qudits. Each auxiliary qudit is coupled to a physical heat bath, realized with a microwave waveguide populated with synthesized quasithermal radiation. If the target qubit is initially fully excited, its effective temperature reaches a steady-state level of approximately 22~mK, lower than what can be achieved by existing state-of-the-art reset protocols. Our results demonstrate that superconducting circuits with propagating thermal fields can be used to experimentally explore quantum thermodynamics and apply it to quantum information-processing tasks.

研究の動機と目的

• 超伝導キュービットを近似的に基底状態に自動的にリセットできる実用的な量子熱機械を開発すること。
• 通常45–70 mKの有効温度に留まる残余励起状態分布を生じる被動的熱化の限界を克服すること。
• 伝搬する熱的マイクロ波場を自然な熱浴として用いる超伝導回路に接続された量子吸収冷蔵機を実装すること。
• スケーラブルな固体状態プラットフォーム上で自律的量子冷却が実現可能であることを実証すること。
• 実験的にアクセス可能なエンジニアリングされた熱浴を用いて、回路量子電磁力学における量子熱力学の実現可能性を検証すること。

提案手法

• 冷蔵機は三クイッド系（目的キュービット Q3、中間体クイッド Q2、制御クイッド Q1）を用い、共鳴結合条件 $\omega_1 + \omega_3 = 2\omega_2 + \alpha_2$ を介したエンジニアリングされた三体相互作用を利用する。
• Q1とQ2は、光子占有数 $n_{\rm H}$ と $n_{\rm C}$ が調整可能なマイクロ波波ガイドに接続され、それぞれホットバーストとコールドバーストを模倣する。
• 冷蔵機は、$|101\rangle \leftrightarrow |020\rangle$ の共鳴三準位遷移を通じて動作し、エネルギーを目的キュービットからコールドバーストへ熱勾配に従って移動させる。
• 散乱をモデル化するためにリンドブラッドマスター方程式が用いられ、跳躍演算子 $\mathcal{D}[\tilde{a}_i, \rho]$ と $\mathcal{D}[\tilde{a}_i^\dagger, \rho]$ が、自発的放出および励起プロセスを記述する。
• Rabi励起状態の測定は、Q3の $|1\rangle$ 状態の分布を正確に測定するための二周波数パルスシーケンスを用い、$|2\rangle$ 状態をゼロ分布の基準として用いた。
• 冷却効率を定量化するため、係数（COP）は $\text{COP} = \dot{\mathcal{Q}}_3 / \dot{\mathcal{Q}}_1$ として計算され、定常状態における冷却効率を示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 熱勾配のみを用いて、周囲のバースト温度より低い温度にキュービットを自律的に冷却できる超伝導量子冷蔵機を設計可能か？
• RQ2 中間体クイッド（Q2）に混合状態が存在する場合、三体エネルギー移動プロセスおよび冷却効率にどのような影響を与えるか？
• RQ3 冷蔵機の性能は、熱浴の温度（すなわち、光子占有数 $n_{\rm H}$ と $n_{\rm C}$）を調整することでどの程度調整可能か？
• RQ4 自律的動作下で、目的キュービットの達成可能な冷却忠実度および有効温度はどの程度か？
• RQ5 キュービットが基底状態でない、例えば残余励起状態分布を有する熱的定常状態から初期化された場合でも、冷蔵機は効果的に動作するか？

主な発見

• 目的キュービットは、定常状態で $5 \times 10^{-4} \pm 5 \times 10^{-4}$ の励起状態分布を達成し、23.5 mKの有効温度に冷却された。これは被動的熱化による45–70 mKの温度よりも顕著に低い。
• 冷蔵機は約1.6 $\mu$sの短時間でこの低温定常状態に到達し、被動的熱化の数百マイクロ秒オーダーの時間スケールに比べて迅速なリセット能力を示した。
• 冷却性能はコールドバーストの光子数 $n_{\rm C}$ に強く依存しており、$n_{\rm C}$ を増加させるとQ2における混合の増加により冷却性能が劣化した。
• 冷蔵機は外部制御を一切必要とせず、光子占有数が調整可能なエンジニアリングされたマイクロ波波ガイドバースト間の熱勾配によってのみ駆動された。
• 定常状態における係数（COP）が測定され、ホットバーストからの熱エネルギーを用いて目的キュービットから熱を効率的に抽出していることが確認された。
• 初期状態で $|1\rangle$ 状態の分布が0.028であった場合、冷蔵機は約500 ns以内にその分布を $5 \times 10^{-4}$ 未満に低下させ、初期熱化状態に対して高い耐性を示した。