[논문 리뷰] Quantum-circuit refrigeration of a superconducting microwave resonator well below a single quantum

A.J. Viitanen, Timm Mörstedt외 5명|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 01.

Quantum and electron transport phenomenaPhysics and Astronomy참고 문헌 31인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 전압 또는 RF 드라이브 제어를 통해 초전도 마이크로파 공진기를 평균적으로 한 광자 이하로 냉각하는 단일 접합 양자회로 냉각기(QCR)의 실험적 구현을 보여준다. 전송형 큐비트와의 결합을 통해 포크 상태를 읽는 데 성공함으로써 저자들은 빠르고 조절 가능한 에너지 손실을 달성했으며, 연속적 및 10-나노초 펄스 드라이브를 모두 사용하여 1K 이상의 온도에서 한 광자 이하 상태로 냉각을 실현했으며, 이는 이전의 느린 충전 동역학 문제를 해결한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 이전 双접합 QCR에서 전하 도메인 효과로 인한 느린 충전 동역학과 비지수적 붕괴 문제를 해결하기 위해.
• 지상으로 돌아오는 경로를 1/4파장 공진기로 갖는 이론적으로 제안된 단일 접합 QCR 설계의 구현 및 검증을 위해.
• 실시간으로 공진기 상태를 냉각하기 위한 현장에서의 전압 또는 RF 드라이브 기반 에너지 손실 제어를 가능하게 하기 위해.
• 냉각된 공진기의 포크 상태 수준에서의 특성 분석을 통해 높은 정밀도로 열적 상태 분포를 해석하기 위해.
• 연속적 및 초단시간(10-나노초) 펄스 RF 드라이브 모두에서 냉각 성능이 우수한 것을 입증하여 넓은 동작 대역폭을 확인하기 위해.

제안 방법

• 단일 접합 NIS 터널 접합이 1/4파장 초전도성 평면파일드 공진기와 금속적으로 연결되어 있으며, 이는 직류 전류의 지상으로의 복귀 경로를 제공한다.
• QCR는 광자 보조 준입자 터널링을 통해 작동하며, 편향 전압 또는 RF 드라이브에 의해 공진기에서 공진적 광자 흡수를 유도한다.
• 전송형 큐비트를 공진기와 분산 결합하여 수치 분할 스펙트로스코피를 수행하고 개별 포크 상태를 해상도를 높인다.
• 준입자 터널링 속도에서 유도된 전이 비율을 사용하여 시스템을 모델링하며, 효과적 온도 및 결합 강도는 정규화된 정방향 터널링 비율 $\overrightarrow{F}(E)$를 통해 정의된다.
• 직류 편향과 2.9-GHz RF 드라이브(연속 및 10-나노초 펄스)를 모두 사용하여 에너지 손실을 제어하였으며, 동일한 냉각 성능을 관찰하였다.
• 이론적 모델링은 $Z_r = \frac{4}{\pi}Z_0$ 인 집중 매개변수 공진기로 가정하며, 직접 연결을 위한 $C_c/C_N = 1$, $E_N = 0$ 의 극한 조건을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이전 이중접합 설계에서의 전하 도메인 비선형성 없이, 단일 접합 QCR가 빠르고 깔끔하며 조절 가능한 에너지 손실을 달성할 수 있는가?
• RQ2 QCR는 공진기를 얼마나 낮은 한 광자 이하 상태로 냉각할 수 있으며, 이는 연속적 및 초단시간 펄스 드라이브 모두에서 달성 가능한가?
• RQ3 냉각 중 공진기의 포크 상태 분포는 얼마나 정확하게 측정할 수 있으며, 이는 열화 과정에 대해 어떤 통찰을 제공하는가?
• RQ4 QCR는 직류와 RF 드라이브 모두에서 일관된 성능을 유지하는가? 그리고 회로의 제약으로 인해 대역폭이 제한되는가?
• RQ5 외부 가열로 1K 열적 상태로 인해 가열된 공진기를 QCR가 능동적으로 냉각할 수 있는가? 이는 외부 가열에 대한 강건성을 입증하는가?

주요 결과

• 단일 접합 QCR는 4.7-GHz 초전도성 공진기를 평균 광자 수가 1 미만이 되도록 성공적으로 냉각하여 한 광자 이하 상태를 달성했다.
• QCR는 연속 2.9-GHz RF 드라이브와 10-나노초 펄스 RF 드라이브 모두에서 동일한 냉각 성능을 보였으며, 이는 회로 제약을 초월한 넓은 동작 대역폭을 확인한다.
• 전송형 큐비트를 이용한 수치 분할 스펙트로스코피를 통해 포크 상태 분포를 해상도를 높여 공진기의 냉각 중 열적 상태를 직접 측정할 수 있었다.
• 시스템은 빠르고 지수함수 유사한 붕괴 동역학을 달성하여 이전 이중접합 QCR에서의 느린 충전 문제를 해결했다.
• 공진기가 1K 열적 상태(약 한 광자 평균)로 인해 인위적으로 가열된 경우에도 QCR는 이를 한 광자의 소수점 수준으로 낮추는 효과적인 냉각을 수행했다.
• 직류 편향과 RF 드라이브 모두를 사용해 에너지 손실률을 조절할 수 있었으며, 성능 저하가 관찰되지 않아 QCR의 유연성을 확인했다.