[논문 리뷰] Thermally driven quantum refrigerator autonomously resets superconducting qubit

Mohammed Ali Aamir, Paul Jamet Suria외 5명|arXiv (Cornell University)|2023. 05. 26.

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 초전도 회로를 기반으로 한 자율적이고 열로 구동되는 양자 흡수 냉장고를 구현하여, 수동 열화에 의해 달성할 수 있는 것보다 낮은 효과적 온도인 23.5 mK로 전이모 큐비트를 냉각한다. 이 냉장고는 목표 큐비트와 두 개의 주파수 조절 가능한 큐디트가 포함된 삼체 상호작용을 통해 열 기울기만으로 작동하며, 외부 제어 없이도 안정된 상태에서 1.6 μs 내에 5 × 10⁻⁴ ± 5 × 10⁻⁴의 고유 상태 분포를 달성한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 초전도 큐비트를 근원 상태에 가까운 상태로 자율적으로 리셋할 수 있는 실용적인 양자 열기계를 개발하기 위해.
• 일般적으로 잔여 고유 상태 분포가 약 1–3%인(효과적 온도 45–70 mK) 수동 열화의 한계를 극복하기 위해.
• 진행 중인 열기계를 초전도 회로에 통합할 수 있는 스케일러블한 고체 상태 플랫폼으로서, 전파되는 열적 마이크로파 필드를 자연스러운 열 저장소로 사용하는 양자 흡수 냉장고를 구현하기 위해.
• 자율적 양자 냉각이 스케일러블하고 고체 상태 플랫폼에서 실현 가능함을 실험적으로 입증하기 위해.
• 실험적으로 접근 가능한 설계된 열 저장소를 사용하여 회로 양자 전기역학에서의 양자 열역학의 실현 가능성을 검증하기 위해.

제안 방법

• 냉장고는 목표 큐비트(Q3), 매개 큐디트(Q2), 제어 큐디트(Q1)로 구성된 삼큐디트 시스템을 사용하며, 공진 조건 $\omega_1 + \omega_3 = 2\omega_2 + \alpha_2$에 의해 매개되는 설계된 삼체 상호작용을 활용한다.
• Q1과 Q2는 주파수 조절 가능한 광자 수 $n_{\rm H}$와 $n_{\rm C}$를 가진 마이크로파 웨이브가이드에 연결되어 있으며, 이는 뜨거운 및 차가운 열 저장소를 시뮬레이션한다.
• 냉장고는 공명하는 삼준화 전이 $|101\rangle \leftrightarrow |020\rangle$를 통해 작동하며, 이는 목표 큐비트에서 차가운 저장소로 에너지를 전달하는 열 기울기를 통해 에너지 이동을 가능하게 한다.
• 손실을 모델링하기 위해 린드블라드 마스터 방정식을 사용하며, 점프 연산자 $\mathcal{D}[\tilde{a}_i, \rho]$와 $\mathcal{D}[\tilde{a}_i^\dagger, \rho]$는 자발적 방출 및 자극 방출 과정을 기술한다.
• Rabi 분포 측정은 Q3의 $|1\rangle$ 상태 분포를 정확히 측정하기 위해 이중 톤 펄스 시퀀스를 사용하며, 기준으로 $|2\rangle$ 상태를 0 분포 기준으로 삼는다.
• 성능 계수(COP)는 $\text{COP} = \dot{\mathcal{Q}}_3 / \dot{\mathcal{Q}}_1$로 계산되며, 안정 상태에서 냉각 효율을 정량화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 열 기울기만을 이용하여 환경 열 저장소보다 낮은 온도로 큐비트를 자율적으로 리셋할 수 있는 초전도 양자 냉장고를 설계할 수 있는가?
• RQ2 매개 큐디트(Q2)에 혼합 상태가 존재할 경우 삼체 에너지 전달 과정과 냉각 효율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 냉각 성능은 어떻게 조절할 수 있는가? 즉, 열 저장소 온도(즉, 광자 수 $n_{\rm H}$와 $n_{\rm C}$)를 조절함으로써 어느 정도 향상될 수 있는가?
• RQ4 자율 작동 조건에서 목표 큐비트의 도달 가능한 냉각 정밀도와 효과적 온도는 얼마인가?
• RQ5 잔여 고유 상태 분포가 있는 열적 안정 상태에서 초기화된 큐비트, 예를 들어 0.028의 잔여 $|1\rangle$ 상태 분포를 가진 큐비트에서도 냉장고가 효과적으로 작동할 수 있는가?

주요 결과

• 목표 큐비트는 안정 상태에서 고유 상태 분포가 $5 \times 10^{-4} \pm 5 \times 10^{-4}$로 측정되었으며, 이는 수동 열화로 달성 가능한 45–70 mK보다 훨씬 낮은 효과적 온도인 23.5 mK에 해당한다.
• 냉장고는 약 1.6 $\mu$s 내에 이 낮은 온도 안정 상태에 도달하여, 수백 마이크로초의 수준에서 수동 열화 시간스케일에 비해 빠른 리셋 능력을 입증한다.
• 냉각 성능은 차가운 저장소 광자 수 $n_{\rm C}$에 크게 의존하며, $n_{\rm C}$ 증가에 따라 매개 큐디트 Q2의 혼합 증가로 인해 냉각 성능이 악화된다.
• 냉장고는 두 개의 설계된 마이크로파 웨이브가이드 저장소 간의 열 기울기만으로 작동하며, 외부 제어 없이 자율적으로 작동한다. 이 저장소는 주파수 조절 가능한 광자 수를 가진다.
• 성능 계수(COP)는 안정 상태에서 측정되었으며, 뜨거운 저장소에서 열 에너지를 추출하여 목표 큐비트에서 열을 제거하는 데 냉장고의 효율성을 확인한다.
• 초기 상태로 잔여 $|1\rangle$ 상태 분포 0.028을 가진 큐비트는 약 500 ns 이내에 분포를 $5 \times 10^{-4}$ 이하로 감소시켜, 초기 열화 상태에 대한 강건성을 입증한다.