[論文レビュー] Thermodynamics along individual trajectories of a quantum bit

Mahdi Naghiloo, D. Tan+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2017

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、近似的に量子限界に近い検出器を用いて、駆動された超伝導キュービットの個々の量子軌道を実験的に追跡し、エネルギー変化を熱と仕事にリアルタイムで分離することに成功した。これは、開放系における熱力学の第一法則が確認され、マスター方程式、二回の投影測定、フィードバックに基づくアプローチの間で一貫性があることを示しており、量子コherentlyなダイナミクスにおける熱力学的整合性を実証している。

ABSTRACT

We use a near quantum limited detector to experimentally track individual quantum state trajectories of a driven qubit formed by the hybridization of a waveguide cavity and a transmon circuit. For each measured quantum coherent trajectory, we separately identify energy changes of the qubit as heat and work, and verify the first law of thermodynamics for an open quantum system. We further establish the consistency of these results by comparison with the master equation approach and the two-projective-measurement scheme, both for open and closed dynamics, with the help of a quantum feedback loop that compensates for the exchanged heat and effectively isolates the qubit.

研究の動機と目的

• 駆動されたキュービットの個々の量子状態軌道を、ハイブリッドキャビティ-トランスモン系において実験的に測定すること。
• 個々の量子軌道における熱と仕事の寄与を区別し、単一軌道レベルでの熱力学的解析を可能にすること。
• リアルタイム測定とフィードバックを用いて、開放系における熱力学の第一法則を実験的に検証すること。
• 連続的測定アプローチから得られる熱力学的結果を、既存のフレームワーク（マスター方程式と二回の投影測定）と比較すること。
• 熱交換を補償する量子フィードバックによりキュービットを熱的に分離し、閉じた系に類似した振る舞いを実現すること。

提案手法

• 超伝導トランスモンキュービットを波長ガイドキャビティに結合させ、駆動された量子ビットを形成する。
• 近似的に量子限界に近い検出器を用いて、高い忠実度でリアルタイムに個々の量子状態軌道を追跡する。
• 各軌道に沿うエネルギー変化を、連続的測定記録を用いて熱と仕事に分解する。
• 熱交換を補償するための量子フィードバックループを実装し、キュービットを実質的に分離させ、閉じた系のダイナミクスと比較可能にする。
• 結果をマスター方程式と二回の投影測定スキームからの予測と照合して検証する。
• エネルギー収支と熱・仕事の分離を比較することで、開放系と閉じた系の両方のダイナミクスにおいて熱力学的整合性をテストする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 連続的測定フレームワークにおいて、駆動されたキュービットの個々の量子軌道に沿って、熱と仕事は一意に特定可能か？
• RQ2 開放系における個々の量子軌道に対して、熱力学の第一法則は成立するか？
• RQ3 連続的測定から得られる熱力学的量は、二回の投影測定スキームからのものとどのように比較できるか？
• RQ4 量子フィードバックによってどれほど熱的分離が回復され、閉じた系のダイナミクスと比較可能になるか？
• RQ5 マスター方程式の記述は、観測された単一軌道の熱力学と整合性を持つのか？

主な発見

• 熱力学の第一法則が、駆動されたキュービットの個々の量子軌道において実験的に検証され、測定記録から熱と仕事の正しい分離がなされた。
• 連続的測定アプローチから得られる結果は、熱力学的に整合的であり、マスター方程式と二回の投影測定スキームからの予測と一致した。
• 量子フィードバックにより熱交換が効果的に補償され、キュービットが実質的に分離され、閉じた系の熱力学と比較可能になった。
• 複数の理論的フレームワークを用いた検証により、個々の軌道に沿った熱と仕事の実験的分離が、強固で一貫性のあるものであることが確認された。
• 本研究では、熱力学的法則が制御された超伝導キュービット系において、個々の量子軌道レベルにまで適用され、検証可能であることが示された。
• 本研究は、量子軌道理論と開放系における熱力学的原則との間の直接的な実験的関係を確立した。