[论文解读] Thermally driven quantum refrigerator autonomously resets superconducting qubit

Mohammed Ali Aamir, Paul Jamet Suria+5 more|arXiv (Cornell University)|May 26, 2023

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics被引用 6

一句话总结

该论文展示了一种基于超导电路的自主、热驱动量子吸收冰箱，通过目标量子比特与两个频率可调的量子位元之间的人工三体相互作用，利用工程化微波波导热浴，将一个 transmon 量子比特冷却至有效温度 23.5 mK——低于被动热化所能达到的温度。该冰箱无需外部控制，仅依靠热源与冷源之间的温差驱动，约在 1.6 μs 内实现稳态激发态布居数为 $5 \times 10^{-4} \pm 5 \times 10^{-4}$。

ABSTRACT

Although classical thermal machines power industries and modern living, quantum thermal engines have yet to prove their utility. Here, we demonstrate a useful quantum absorption refrigerator formed from superconducting circuits. We use it to cool a transmon qubit to a temperature lower than that achievable with any one available bath, thereby resetting the qubit to an initial state suitable for quantum computing. The process is driven by a thermal gradient and is autonomous, requiring no external feedback. The refrigerator exploits an engineered three-body interaction between the target qubit and two auxiliary qudits. Each auxiliary qudit is coupled to a physical heat bath, realized with a microwave waveguide populated with synthesized quasithermal radiation. If the target qubit is initially fully excited, its effective temperature reaches a steady-state level of approximately 22~mK, lower than what can be achieved by existing state-of-the-art reset protocols. Our results demonstrate that superconducting circuits with propagating thermal fields can be used to experimentally explore quantum thermodynamics and apply it to quantum information-processing tasks.

研究动机与目标

• 开发一种实用的量子热机，可自主将超导量子比特重置至近基态。
• 克服被动热化带来的局限性，后者通常导致残余激发态布居数约为 1–3%（对应有效温度 45–70 mK）。
• 利用与传播热微波场耦合的超导电路实现量子吸收冰箱。
• 证明自主量子制冷可在适合集成到量子处理器中的可扩展固态平台上实现。
• 通过实验可实现的工程化热浴，验证电路量子电动力学中量子热力学的可行性。

提出的方法

• 冰箱采用三量子位系统：目标量子比特（Q3）、中介量子比特（Q2）和控制量子比特（Q1），通过共振耦合条件 $\omega_1 + \omega_3 = 2\omega_2 + \alpha_2$ 实现工程化三体相互作用。
• Q1 和 Q2 分别耦合至作为热浴的微波波导，其光子占据数 $n_{\rm H}$ 和 $n_{\rm C}$ 可调，模拟高温与低温热源。
• 冰箱通过相干三能级跃迁 $|101\rangle \leftrightarrow |020\rangle$ 运行，实现能量从目标量子比特经由温差梯度向冷浴转移。
• 采用 Lindblad 主方程建模退相干，跃迁算符 $\mathcal{D}[\tilde{a}_i, \rho]$ 和 $\mathcal{D}[\tilde{a}_i^\dagger, \rho]$ 分别描述自发辐射与激发过程。
• 通过双 tone 脉冲序列执行拉比布居测量，精确测量 Q3 的 $|1\rangle$ 态布居数，以 $|2\rangle$ 态作为零布居基线。
• 制冷系数（COP）计算为 $\text{COP} = \dot{\mathcal{Q}}_3 / \dot{\mathcal{Q}}_1$，用于量化稳态下的制冷效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计一种超导量子冰箱，仅利用温差梯度，自主地将量子比特冷却至环境热浴温度以下？
• RQ2 中介量子比特（Q2）中混合态的存在如何影响三体能量转移过程及制冷效率？
• RQ3 通过调节热浴温度（即光子占据数 $n_{\rm H}$ 和 $n_{\rm C}$）在多大程度上可调控制冷性能？
• RQ4 在自主运行条件下，目标量子比特可实现的制冷保真度与有效温度是多少？
• RQ5 当量子比特初始态为非基态（如具有残余激发态布居的热稳态）时，冰箱是否仍能有效运行？

主要发现

• 目标量子比特实现了 $5 \times 10^{-4} \pm 5 \times 10^{-4}$ 的稳态激发态布居数，对应有效温度为 23.5 mK，显著低于被动热化所能达到的 45–70 mK。
• 冰箱在约 1.6 μs 内达到低温稳态，相比被动热化数百微秒的时间尺度，展现出快速重置能力。
• 制冷性能强烈依赖于冷浴光子数 $n_{\rm C}$；随着 $n_{\rm C}$ 增加，制冷性能下降，原因在于中介量子比特 Q2 中的混合程度增加。
• 冰箱在无外部控制条件下自主运行，仅依靠两个工程化微波波导热浴之间的温差梯度驱动，其光子占据数可调。
• 在稳态下测得制冷系数（COP），证实冰箱能有效利用高温热源的热能从目标量子比特中提取热量。
• 当初始 $|1\rangle$ 态布居数为 0.028 时，冰箱在约 500 ns 内将其降低至 $5 \times 10^{-4}$ 以下，证明其对初始热化状态具有鲁棒性。