[论文解读] Nonequilibrium thermal transport and photon squeezing in a quadratic qubit-resonator system

Chen Wang, Hua Chen+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 16, 2021

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics参考文献 97被引用 13

一句话总结

本文研究了具有二次耦合的量子比特-谐振子系统中非平衡热输运与光子压缩效应，采用穿衣主方程与全计数统计方法。研究揭示了由于光子模式动力学的非对称性，系统表现出负微分热导率与巨大的热整流效应，同时在低温与强混合条件下出现强烈的光子压缩效应。

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.

研究动机与目标

• 理解具有二次量子比特-谐振子耦合的混合量子系统中的非平衡热输运机制。
• 分析强系统-热库耦合与非线性相互作用在热功能中的作用。
• 研究在温度梯度存在下光子压缩与电流涨落的特性。
• 探索热整流、负微分导率与非高斯电流统计之间的相互作用。
• 为电路量子电动力学平台中的量子热器件与光子调控提供理论框架。

提出的方法

• 构建包含纵向与二次耦合（λˆσz(ˆa† + ˆa)²）的量子比特-谐振子哈密顿量，并引入有限温度热库。
• 推导穿衣主方程（DME）以描述开放量子系统的稳态动力学。
• 应用全计数统计（FCS）计算热流涨落，包括噪声功率与偏度。
• 通过精确对角化穿衣哈密顿量分析能谱与输运性质。
• 在不同量子比特-光子耦合强度与热库温度梯度下评估热导率、热整流与光子压缩效应。
• 通过非平衡条件下输出场的协方差矩阵分析光子正交分量的压缩效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 二次耦合如何在非平衡量子比特-谐振子系统中诱导负微分热导率？
• RQ2 该系统中巨大热整流效应的起源是什么？其与混合强度及温度梯度的关系如何？
• RQ3 在不同混合强度与温度区域下，电流涨落（噪声功率与偏度）的行为如何？
• RQ4 在何种条件下会出现光子正交分量压缩？其对两个热库温度的响应为何呈现非对称性？
• RQ5 由于强关联与非线性耦合，系统是否可能表现出非高斯电流统计特性？

主要发现

• 在有限温度梯度下，由于循环热跃迁被抑制及弱耦合与强耦合区域的模式失配，负微分热导率（NDTC）出现。
• 在大温度梯度下观察到巨大的热整流效应，其由系统内在非对称性与NDTC共同驱动。
• 在小温度梯度下，噪声功率在强混合区域达到全局最大值；而偏度则在大温度梯度下达到峰值。
• 在强混合与低温区域观察到光子正交分量压缩，且其对两个热库温度的响应呈现非对称性。
• 电流涨落对混合强度表现出非单调依赖关系，表明存在强关联效应。
• DME与FCS的结合可精确表征非线性开放量子系统中的稳态输运与非高斯电流统计特性。