[论文解读] Quantum-circuit refrigeration of a superconducting microwave resonator well below a single quantum

A.J. Viitanen, Timm Mörstedt+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2023

Quantum and electron transport phenomenaPhysics and Astronomy参考文献 31被引用 3

一句话总结

该论文实验展示了单结量子电路制冷机（QCR）通过电压或射频驱动控制，将超导微波谐振器冷却至平均低于一个光子的状态。通过将QCR与Transmon量子比特耦合以实现Fock态读出，作者实现了快速、可调谐的消散，并在连续和10纳秒脉冲驱动下，从高于1 K的状态成功实现亚单光子态制冷，解决了以往制冷动力学缓慢的问题。

ABSTRACT

We experimentally demonstrate a recently proposed single-junction quantum-circuit refrigerator (QCR) as an in-situ-tunable low-temperature environment for a superconducting 4.7-GHz resonator. With the help of a transmon qubit, we measure the populations of the different resonator Fock states, thus providing reliable access to the temperature of the engineered electromagnetic environment and its effect on the resonator. We demonstrate coherent and thermal resonator states and that the on-demand dissipation provided by the QCR can drive these to a small fraction of a photon on average, even if starting above 1 K. We observe that the QCR can be operated either with a dc bias voltage or a gigahertz rf drive, or a combination of these. The bandwidth of the rf drive is not limited by the circuit itself and consequently, we show that 2.9-GHz continuous and 10-ns-pulsed drives lead to identical desired refrigeration of the resonator. These observations answer to the shortcomings of previous works where the Fock states were not resolvable and the QCR exhibited slow charging dynamics. Thus this work introduces a versatile tool to study open quantum systems, quantum thermodynamics, and to quickly reset superconducting qubits.

研究动机与目标

• 解决以往双结QCR因电荷岛效应导致的充电动力学缓慢和非指数衰减问题。
• 实现并验证理论上提出的通过四分之一波长谐振器提供接地回路的单结QCR设计。
• 实现在位的电压或射频驱动消散控制，实现对谐振器态的实时制冷。
• 在Fock态水平表征制冷后的谐振器，以高保真度解析热态布居。
• 在连续和超短（10纳秒）脉冲射频驱动下均实现稳健制冷，证实其宽广的工作带宽。

提出的方法

• 单结NIS隧道结通过金属连接与四分之一波长超导共面波导谐振器相连，为直流电流提供接地回路。
• QCR通过光子辅助准粒子隧穿工作，偏置电压或射频驱动诱导谐振器中光子的共振吸收。
• 通过非简并耦合将Transmon量子比特与谐振器相连，以实现数分光谱并分辨各个Fock态。
• 系统通过从准粒子隧穿速率推导出的跃迁速率进行建模，有效温度和耦合强度通过归一化的正向隧穿速率 $\overrightarrow{F}(E)$ 定义。
• 使用直流偏置和2.9-GHz射频驱动（连续和10纳秒脉冲）控制消散，两种驱动方式均表现出相同的制冷性能。
• 理论建模假设为集总元件谐振器，$Z_r = \frac{4}{\pi}Z_0$，并采用 $C_c/C_N = 1$，$E_N = 0$ 的极限条件，实现直接连接。

实验结果

研究问题

• RQ1 单结QCR是否能在避免以往双结设计中电荷岛非线性影响的前提下，实现快速、干净且可调谐的消散？
• RQ2 QCR在多大程度上可将谐振器冷却至亚单光子态？该效果是否可在连续和超短脉冲驱动下实现？
• RQ3 在制冷过程中，谐振器Fock态布居的测量精度如何？这揭示了热化过程的哪些信息？
• RQ4 QCR在不同驱动类型（直流与射频）下是否保持一致性能？其带宽是否受电路限制？
• RQ5 QCR能否主动冷却被人为加热至1 K热态（平均约一个光子）的谐振器，从而证明其对外部加热的鲁棒性？

主要发现

• 单结QCR成功将4.7-GHz超导谐振器冷却至平均光子数远低于1，实现亚单光子态。
• QCR在连续2.9-GHz射频驱动和10纳秒脉冲射频驱动下表现出相同的制冷性能，证实其工作带宽远超电路限制。
• 通过Transmon量子比特的数分光谱技术分辨Fock态布居，实现了对制冷过程中谐振器热态的直接测量。
• 系统实现快速、类似指数的衰减动力学，解决了以往双结QCR中充电缓慢的问题。
• QCR有效将被加热至1-K热态（平均约一个光子）的谐振器冷却至远低于一个光子的水平。
• 直流偏置和射频驱动均可用于调节消散速率，且未观察到性能退化，证实QCR的多功能性。