[논문 리뷰] Nonequilibrium thermal transport and photon squeezing in a quadratic qubit-resonator system

Chen Wang, Hua Chen외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 16.

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics참고 문헌 97인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 균형 상태가 아닌 열역학적 에너지 전달과 양자비틀림을 갖는 큐비트-공진기 시스템에서의 이차 상호작용을 다루며, 복합 마스터 방정식과 완전한 통계 수치를 사용한다. 이는 비대칭 광자 모드 역학으로 인해 음의 차등 열전도도와 기하급수적인 열정류 현상이 발생함을 드러내며, 저온 및 강한 혼성화 조건에서 강한 광자 비틀림이 발생한다.

ABSTRACT

We investigate steady-state thermal transport and photon statistics in a nonequilibrium hybrid quantum system, in which a qubit is longitudinally and quadratically coupled to an optical resonator. Our calculations are conducted with the method of the quantum dressed master equation combined with full counting statistics. The effect of negative differential thermal conductance is unravelled at finite temperature bias, which stems from the suppression of cyclic heat transitions and large mismatch of two squeezed photon modes at weak and strong qubit-resonator hybridizations, respectively. The giant thermal rectification is also exhibited at large temperature bias. It is found that the intrinsically asymmetric structure of the hybrid system and negative differential thermal conductance show the cooperative contribution. Noise power and skewness, as typical current fluctuations, exhibit global maximum with strong hybridization at small and large temperature bias limits, respectively. Moreover, the effect of photon quadrature squeezing is discovered in the strong hybridization and low-temperature regime, which shows asymmetric response to two bath temperatures. These results would provide some insight to thermal functional design and photon manipulation in qubit-resonator hybrid quantum systems.

연구 동기 및 목표

• 이차 큐비트-공진기 결합을 갖는 하이브리드 양자 시스템에서 비균형 상태 열역학적 전달을 이해하는 것.
• 강한 시스템- bath 결합과 비선형 상호작용이 열기능에 미치는 역할을 분석하는 것.
• 온도 기울기 조건 하에서 광자 비틀림과 전류 변동성을 조사하는 것.
• 열정류, 음의 차등 전도도, 비가우시안 전류 통계 간의 상호작용을 탐구하는 것.
• 양자 열기기 및 회로-QED 플랫폼에서 광자 조작을 위한 이론적 프레임워크를 제공하는 것.

제안 방법

• 종방향적 이차 상호작용(λˆσz(ˆa† + ˆa)²)과 유한 온도의 열 baths를 포함한 큐비트-공진기 해밀토니안을 수립한다.
• 열린 양자 시스템의 정 steady 상태 역학을 기술하기 위해 복합 마스터 방정식(DME)을 유도한다.
• 열전류 변동성(노이즈 전력과 비대칭도 포함)을 계산하기 위해 완전한 통계 수치(FCS)를 적용한다.
• 복합 해밀토니안의 정확한 대각화를 통해 스펙트럼 및 전도 성질을 분석한다.
• 큐비트-광자 결합 강도와 열 baths의 온도 기울기 변화에 따라 열전도도, 정류도, 광자 비틀림을 평가한다.
• 비균형 조건에서 출력 필드의 공분산 행렬을 통해 광자 사각형 비틀림을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이차 상호작용은 비균형 큐비트-공진기 시스템에서 어떤 방식으로 음의 차등 열전도도를 유도하는가?
• RQ2 이 시스템에서 기하급수적인 열정류의 기원은 무엇이며, 혼성화 강도와 온도 기울기와 어떻게 관련되는가?
• RQ3 다양한 혼성화 및 온도 영역에서 전류 변동성(노이즈 전력과 비대칭도)은 어떻게 행동하는가?
• RQ4 광자 사각형 비틀림은 어떤 조건에서 나타나며, 두 열 baths의 온도에 대해 비대칭적으로 반응하는가?
• RQ5 강한 상관관계와 비선형 결합으로 인해 시스템이 비가우시안 전류 통계를 나타낼 수 있는가?

주요 결과

• 약한 및 강한 결합 영역에서 순환 열 전이 억제와 모드 불일치로 인해 유한한 온도 기울기 조건에서 음의 차등 열전도도(NDTC)가 발생한다.
• 큰 온도 기울기 조건에서 내재된 시스템 비대칭성과 NDTC로 인해 기하급수적인 열정류가 관측된다.
• 작은 온도 기울기 조건에서 강한 혼성화 영역에서 노이즈 전력이 국소적으로 최대에 도달하고, 큰 온도 기울기 조건에서는 비대칭도가 최대에 도달한다.
• 강한 혼성화 및 저온 영역에서 광자 사각형 비틀림이 관측되며, 두 열 baths의 온도에 대해 비대칭적으로 반응한다.
• 전류 변동성은 혼성화 강도에 따라 비단조적 의존성을 보이며, 강한 상관관계 효과를 시사한다.
• DME와 FCS의 조합은 비선형 열린 양자 시스템에서 정상 상태 전도 및 비가우시안 전류 통계의 정확한 특성화를 가능하게 한다.