量子ヒートポンプ:物理学者のための新しい測定ツール(Quantum heat pump: a new measuring tool for physicists)

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2022-08-26 オランダ・デルフト工科大学(TUDelft)

デルフト工科大学、チューリッヒ工科大学、チュービンゲン大学の物理学者は、光の粒子から作られた量子スケールのヒートポンプを作製した。この装置は、暗黒物質の探索などに役立つ無線周波数信号の測定において、量子限界に近づけるものである。
共同研究者たちは、ヒートポンプの量子的な類似性を実証し、光子として知られる光の素粒子である量子粒子を、熱い物体から冷たい物体へと「流れに逆らって」移動させることを発表している。
研究者らは以前の研究で、この装置を高温の高周波フォトンの冷浴としてすでに使用していたが、今回は同時に増幅器にすることに成功した。増幅器を内蔵することで、超伝導量子プロセッサーから出力されるマイクロ波信号の増幅と同じように、高周波信号に対してより敏感に反応するようになった。「高周波信号という、他の方法では測定が困難な周波数を測定することで、量子限界に近づくことができるのです。この新しい測定ツールは、暗黒物質の探索など、さまざまな用途に使えるかもしれません」とスティール教授は言う。

<関連情報>

光圧カー増幅器におけるパラメトリックな相互作用の増強と非相反的バスダイナミクス Parametrically enhanced interactions and nonreciprocal bath dynamics in a photon-pressure Kerr amplifier

Ines Corveira Rodrigues,Gary Alexander Steele,Daniel Bothner
Science Advances  Published:26 Aug 2022
DOI: 10.1126/sciadv.abq1690

Abstract

Photon-pressure coupling between two superconducting circuits is a promising platform for investigating radiation-pressure coupling in distinct parameter regimes and for the development of radio-frequency (RF) quantum photonics and quantum-limited RF sensing. Here, we implement photon-pressure coupling between two superconducting circuits, one of which can be operated as a parametric amplifier. We demonstrate a Kerr-based enhancement of the photon-pressure single-photon coupling rate and an increase of the cooperativity by one order of magnitude in the amplifier regime. In addition, we observe that the intracavity amplification reduces the measurement imprecision of RF signal detection. Last, we demonstrate that RF mode sideband cooling is unexpectedly not limited to the effective amplifier mode temperature arising from quantum noise amplification, which we interpret in the context of nonreciprocal heat transfer between the two circuits. Our results demonstrate how Kerr amplification can be used as resource for enhanced photon-pressure systems and Kerr cavity optomechanics.

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