[论文解读] Thermodynamics along individual trajectories of a quantum bit

Mahdi Naghiloo, D. Tan+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2017

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics被引用 9

一句话总结

本研究通过使用接近量子极限的探测器，实验追踪了驱动超导量子比特的单个量子轨迹，实现了对能量变化中热和功的实时分离。该研究验证了开放量子系统的热力学第一定律，并确认了主方程、两次投影测量和基于反馈的多种方法之间的一致性，展示了相干量子动力学中的热力学一致性。

ABSTRACT

We use a near quantum limited detector to experimentally track individual quantum state trajectories of a driven qubit formed by the hybridization of a waveguide cavity and a transmon circuit. For each measured quantum coherent trajectory, we separately identify energy changes of the qubit as heat and work, and verify the first law of thermodynamics for an open quantum system. We further establish the consistency of these results by comparison with the master equation approach and the two-projective-measurement scheme, both for open and closed dynamics, with the help of a quantum feedback loop that compensates for the exchanged heat and effectively isolates the qubit.

研究动机与目标

• 在混合腔-Transmon系统中，实验测量驱动量子比特的单个量子态轨迹。
• 在单条轨迹层面区分热和功的贡献，实现对单条轨迹的热力学分析。
• 通过实时测量和反馈，验证开放量子系统中热力学第一定律。
• 将连续测量方法所得的热力学结果与主方程和两次投影测量方案等既定框架进行比较。
• 通过量子反馈对量子比特实现热力学隔离，补偿交换的热量，从而实现类似闭系统的行为。

提出的方法

• 将超导Transmon量子比特耦合至波导腔，构成驱动的量子比特。
• 使用接近量子极限的探测器，以高保真度实时追踪单个量子态轨迹。
• 利用连续测量记录，将每条轨迹上的能量变化分解为热和功。
• 实施量子反馈回路以补偿热量交换，有效隔离量子比特，从而实现与闭系统动力学的比较。
• 将结果与主方程和两次投影测量方案的预测进行验证。
• 通过比较能量平衡和功-热分离，测试开系统与闭系统动力学之间的热力学一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在连续测量框架下，能否在驱动量子比特的单条量子轨迹上唯一识别出热和功？
• RQ2 热力学第一定律是否适用于开放量子系统中单条量子轨迹？
• RQ3 从连续测量中得出的热力学量与两次投影测量方案的结果相比如何？
• RQ4 量子反馈在多大程度上可恢复热力学隔离，并实现与闭系统动力学的比较？
• RQ5 主方程描述是否与观测到的单条轨迹热力学一致？

主要发现

• 热力学第一定律在驱动量子比特的单条量子轨迹上得到实验验证，热和功可从测量记录中正确分离。
• 连续测量方法得出的热力学结果与主方程和两次投影测量方案的预测一致，表现出热力学一致性。
• 量子反馈成功补偿了热量交换，使量子比特得以有效隔离，从而实现与闭系统热力学的比较。
• 通过多种理论框架对单条轨迹上热和功的实验分离进行了验证，确认了其稳健性和一致性。
• 结果表明，热力学定律可在受控超导量子比特系统中应用于单条量子轨迹并得到验证。
• 本研究建立了量子轨迹理论与开放量子系统中热力学原理之间的直接实验联系。