[论文解读] Qubit decay in circuit quantum thermodynamics

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

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics参考文献 16被引用 5

一句话总结

本文通过建模一个与具有不同能量和耦合强度的振子浴耦合的量子比特，在电路量子热力学中研究了量子比特退相干问题，结合了高达10⁶个振子的数值模拟与解析解。研究识别出三种弛豫行为——二次（Zeno）型、指数型与幂律型，并将该框架应用于量子热力学，展示了通过浴的分裂实现低能光子探测的机制，同时澄清了开放系统中量子与经典行为的边界。

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.

研究动机与目标

• 在具有结构化振子浴的现实开放量子系统中建立量子比特退相干的模型。
• 理解在短时间Zeno型、中间时间指数型与长时间幂律型弛豫行为之间的过渡机制。
• 将该模型应用于量子热力学，特别是通过浴的分裂实现低能光子的探测。
• 对开放量子系统中量子系统与经典环境之间的分离进行定量分析。

提出的方法

• 将量子比特建模为线性耦合到具有能量与耦合强度分布的谐振子浴。
• 对包含高达10⁶个振子的系统进行薛定谔方程的直接数值求解。
• 利用解析解验证并补充数值结果。
• 将振子浴映射为电路中的电阻，以连接至实验性的电路量子电动力学装置。
• 研究将浴分裂为无耦合子浴对光子探测的影响。
• 通过分析系统-环境关联与退相干动力学，研究量子到经典行为的过渡。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有结构的振子浴中，量子比特退相干如何在不同时间尺度下演化？
• RQ2 通过浴的分裂是否能够在电路量子热力学中实现对低能光子的有效探测？
• RQ3 浴的结构在决定量子比特弛豫行为类型中起什么作用？
• RQ4 在开放量子系统中，如何对量子-经典边界进行定量定义？
• RQ5 腔的存在在热浴中在多大程度上改变了量子比特退相干动力学？

主要发现

• 系统在短时间表现出明显的二次（Zeno）型退相干，中间时间呈现指数型退相干，长时间后则过渡到幂律型弛豫。
• 包含高达10⁶个振子的数值模拟结果在所有三种弛豫行为中均与解析预测一致。
• 通过浴的分裂，可将弱耦合模式与主浴分离，从而实现对低能光子的有效探测。
• 振子浴与电路中电阻之间的对应关系，为连接至实验性电路量子电动力学装置提供了直接途径。
• 该框架通过分析浴诱导的退相干，定量阐明了量子系统与经典环境之间的分离。
• 结果表明，浴的结构——尤其是耦合强度的分布——在决定量子比特弛豫行为的性质中起决定性作用。