[논문 리뷰] Qubit decay in circuit quantum thermodynamics

J. P. Pekola, Bayan Karimi|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 21.

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics참고 문헌 16인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 다양한 에너지와 결합 강도를 가진 온도계의 진동자로 이루어진 열역학적 환경에 결합된 큐비트의 붕괴를 수치 시뮬레이션(최대 10⁶개의 진동자)과 해석적 해법을 사용하여 연구한다. 3가지의 감쇠 영역—평면형(Zeno), 지수형, 거듭제곱 법칙—을 식별하고, 이 틀을 양자 열역학에 적용하여, 열역학적 분할을 통해 저에너지 광자 탐지가 가능해지고, 개방계에서 양자-고전적 경계가 명확히 드러나게 된다.

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.

연구 동기 및 목표

• 구조화된 진동자 열역학적 환경을 가진 현실적인 개방 양자 시스템에서 큐비트 붕괴를 모델링하기 위해.
• 짧은 시간의 Zeno 감쇠, 중간 시간의 지수 감쇠, 장시간의 거듭제곱 법칙 감쇠 영역 간의 전이를 이해하기 위해.
• 특히 열역학적 분할을 통해 저에너지 광자를 탐지하는 데 응용하기 위해 모델을 양자 열역학에 적용하기 위해.
• 개방 양자 시스템에서 양자 시스템과 고전적 환경 간의 분리 정도를 정량적으로 분석하기 위해.

제안 방법

• 큐비트를 에너지와 결합 강도가 분포된 조화 진동자 열역학적 환경에 선형으로 결합된 것으로 모델링한다.
• 최대 10⁶개의 진동자를 가진 시스템에 대해 슈뢰딩거 방정식의 직접 수치적 해법을 수행한다.
• 수치 결과를 검증하고 보완하기 위해 해석적 해법을 사용한다.
• 진동자 열역학적 환경을 회로에서 저항기로 매핑하여 실험적 회로 양자 전기역학 설정과 직접 연결한다.
• 광자 탐지를 위해 열역학적 환경을 상호작용이 없는 부분 열역학적 환경으로 분할하는 영향을 조사한다.
• 시스템-환경 상관관계와 양자 얽힘 붕괴 역학을 분석하여, 양자-고전적 전이를 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 구조화된 진동자 열역학적 환경에서 큐비트 붕괴는 어떤 시간 척도에서 어떻게 변화하는가?
• RQ2 열역학적 환경 분할이 회로 양자 열역학에서 저에너지 광자를 탐지하는 데 기여하는가?
• RQ3 열역학적 환경의 구조가 큐비트의 감쇠 영역을 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 개방 양자 시스템에서 양자-고전적 경계를 정량적으로 정의할 수 있는가?
• RQ5 공진기의 존재가 열역학적 환경에서 큐비트 붕괴 역학에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 시스템은 짧은 시간에는 평면형(Zeno) 붕괴에서 시작하여 중간 시간에는 지수 감쇠로 전이되고, 장시간에는 결국 거듭제곱 법칙 감쇠로 수렴하는 명확한 전이를 보인다.
• 최대 10⁶개의 진동자를 가진 수치 시뮬레이션은 모든 3가지 감쇠 영역에서 해석적 예측을 확인한다.
• 열역학적 환경 분할을 통해 메인 열역학적 환경에서 약하게 결합된 모드를 분리함으로써 저에너지 광자 탐지가 효과적으로 가능해진다.
• 진동자 열역학적 환경과 회로 내 저항기 간의 대응관계는 실험적 회로 양자 전기역학 설정과 직접 연결되는 길을 제공한다.
• 이 틀은 열역학적 환경에 의한 양자 얽힘 붕괴 분석을 통해 양자 시스템과 고전적 환경 간의 분리를 정량적으로 명확히 한다.
• 결과적으로, 특히 결합 강도의 분포가 포함된 열역학적 환경의 구조가 큐비트 붕괴의 성격을 결정하는 데 결정적인 역할을 한다는 것이 입증되었다.