[论文解读] Sisyphus Thermalization of Photons in a Double Quantum Dot

Michael J. Gullans, J. Stehlik+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 3, 2015

Quantum and electron transport phenomena参考文献 1被引用 2

一句话总结

本文表明，通过强驱动双量子点（DQD）耦合微波谐振器，可实现一种化学势可调且锁定于驱动频率谐频的热态。通过工程化耗散与强驱动，系统规避了非热化，实现了对光子统计特性的可控，适用于量子模拟，包括在DQD阵列中诱导光的玻色-爱因斯坦凝聚。

ABSTRACT

A strongly driven quantum system, coupled to a thermalizing bath, generically evolves into a highly non-thermal state as the external drive competes with the equilibrating force of the bath. We demonstrate a notable exception to this picture for a microwave resonator interacting with a periodically driven double quantum dot (DQD). In the limit of strong driving and long times, we show that the resonator field can be driven into a thermal state with a chemical potential given by a harmonic of the drive frequency. Such tunable chemical potentials are achievable with current devices and would have broad utility for quantum simulation in circuit quantum electrodynamics. As an example, we show how several DQDs embedded in an array of microwave resonators can induce a phase transition to a Bose-Einstein condensate of light.

研究动机与目标

• 探究强驱动的量子系统耦合到热 bath 时，尽管存在驱动与弛豫力的竞争，是否仍能实现热化。
• 研究微波谐振器耦合到周期性驱动的DQD时，是否可被驱动至具有可控化学势的热态。
• 证明通过周期性驱动在电路量子电动力学中工程化光子统计特性的可行性。
• 提出一种利用DQD-谐振器阵列中可调光子浴实现量子模拟的平台。
• 展示该系统如何诱导光的玻色-爱因斯坦凝聚相变。

提出的方法

• 将周期性驱动的双量子点（DQD）用作微波谐振器的耗散性 bath。
• 通过调节DQD的能级结构与驱动频率，控制谐振器场的有效化学势。
• 分析强驱动与强耗散下系统的稳态密度矩阵，显示其收敛至热态。
• 在光子热化背景下应用西西弗斯冷却机制，其中周期性驱动抑制向非热态的弛豫。
• 采用主方程方法建模开放量子系统动力学，包含驱动与耗散。
• 证明谐振器场达到化学势等于驱动频率谐频的热态。

实验结果

研究问题

• RQ1 强驱动的量子系统耦合到热 bath 时，是否能避免非热稳态？
• RQ2 能否通过DQD的周期性驱动调节微波谐振器场的化学势？
• RQ3 该系统是否表现出类似西西弗斯的热化行为，从而在强驱动下仍能形成稳定热态？
• RQ4 该系统能否作为电路量子电动力学中可控的 bath 用于量子模拟？
• RQ5 耦合到谐振器的DQD阵列是否能诱导光的玻色-爱因斯坦凝聚相变？

主要发现

• 即使在强驱动下，谐振器场仍能实现化学势锁定于驱动频率谐频的热态。
• 系统通过类似西西弗斯的机制实现热化，其中周期性驱动抑制了非热化。
• 通过调节驱动频率，有效化学势可调，从而实现对光子统计特性的控制。
• 在强驱动与长时间极限下，稳态具有鲁棒性，表明热态的稳定性。
• 该机制实现了具有可调热力学参数的可控光子浴。
• 此类DQD-谐振器单元的阵列可诱导光的玻色-爱因斯坦凝聚相变，如所提出的装置所示。