量子热泵：物理学家的一种新测量工具

诸平

An illustration of the device, which consists of two superconducting circuits: a cold high frequency circuit (in blue) and a hot low frequency circuit (in red). Here, the current that flows in the red circuit generates an oscillating magnetic field which leads to the photon-pressure coupling. By sending in a strong signal to the blue high-frequency circuit, this one is transformed into an amplifier capable of detecting radio-frequency photons flowing in the red circuit with much higher sensitivity. Credit: Delft University of Technology

据荷兰代尔夫特理工大学（Delft University of Technology）2022年8月26日提供的消息，量子热泵为物理学家提供了一种新测量工具（Quantum heat pump: A new measuring tool for physicists）。

来自荷兰代尔夫特理工大学、瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zürich）以及德国图宾根大学（University of Tübingen）的物理学家组成的跨国联合小组，已经建造了一个由光粒子制成的量子级热泵。该设备使科学家们更接近测量射频信号的量子极限，这可能有助于寻找暗物质。该装置（见图示）由两个超导电路组成：冷高频电路（蓝色）和热低频电路（红色）。这里，在红色电路中流动的电流产生一个振荡磁场，该磁场导致光子-压力耦合。通过向蓝色高频电路发送强信号，该电路被转换为一个放大器，能够以更高的灵敏度检测在红色电路中流动的射频光子。相关研究结果于2022年8月26日已经在《科学进展》（Science Advances）杂志网站上以开放获取文章的形式发表——Ines Corveira Rodrigues, Gary Alexander Steele, Daniel Bothner. Parametrically enhanced interactions and non-reciprocal bath dynamics in a photon-pressure Kerr amplifier. Science Advances, 2022, 8(34). DOI: 10.1126/sciadv.abq1690. Published 26-Aug-2022. http://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq1690

参与此项研究的有来自荷兰代尔夫特理工大学卡弗里纳米科学研究所（Kavli Institute of Nanoscience, Delft University of Technology, Netherlands）、瑞士苏黎世联邦理工学院物理系（Department of Physics, ETH Zürich, Switzerland）以及德国图宾根大学LISA物理研究所和量子科学中心（Physikalisches Institut and Center for Quantum Science in LISA+, Universität Tübingen, Germany）的研究人员。

如果你把两个温度不同的物体放在一起，比如把一瓶热的白葡萄酒放进一个冷的冷冻包，热量通常会朝一个方向流动，从热的（葡萄酒）流向冷的（冷冻包）。如果你等待足够长的时间，两者都会达到相同的温度，这一过程在物理学上被称为达到平衡：一种热流和另一种热流之间的平衡。如果你愿意做一些工作，你可以打破这种平衡，导致热量以“错误”的方式流动。这是冰箱保持食物低温的原理，也是高效热泵的原理，可以从外面的冷空气（cold air）中吸收热量来取暖。加里·斯蒂尔（Gary Steele）和他的合著者在他们发表的论文中展示了一种热泵的量子模拟，它使光的被称为光子（photons）的基本量子粒子，从热物体“逆流”移动到冷物体。

暗物质信号（Dark matter signals）

虽然研究人员在之前的一项研究中，已经将他们的设备用作热射频光子的冷浴，但现在他们已经成功地将其同时转换为放大器。通过内置放大器，该设备对射频信号更加敏感，就像超导量子处理器（superconducting quantum processors）输出的放大微波信号一样。

加里·斯蒂尔说：“这非常令人兴奋，因为我们可以更接近测量射频信号（radio frequency signals）的量子极限（quantum limit），否则频率很难测量。这种新的测量工具可能有很多应用，其中之一就是寻找暗物质。”

量子热泵（A quantum heat pump）

该装置被称为光子压力电路（photon pressure circuit），由硅芯片上的超导电感器和电容器制成，温度仅比绝对零度高出几毫度。虽然这听起来很冷，但对于电路中的一些光子来说，这个温度非常高，它们被热能激发。利用光子压力，研究人员可以将这些激发的光子耦合到更高频率的冷光子，这在以前的实验中允许他们将热光子冷却到其量子基态。

在这项新研究中，作者增加了一个新的转折点：通过向冷电路发送额外的信号，他们能够创建一个电机，将冷光子放大并加热。同时，额外的信号优先在两个电路之间的一个方向上“泵送”光子。通过在一个方向上比在另一个方向上更用力地推动光子，研究人员能够将电路一部分中的光子冷却到比另一部分更冷的温度，从而为超导电路中的光子创造了量子型热泵（heat pump）。

这项研究得到了荷兰科学研究组织(Netherlands Organisation for Scientific Research简称NWO)的创新研究激励计划VIDI项目680-47-526（Innovational Research Incentives Scheme—VIDI, project 680-47-526）的支持。该项目也获得了欧洲研究理事会(European Research Council简称ERC)在欧盟地平线2020研究和创新计划(European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme: grant agreement no. 681476 – QOMD; grant agreement no. 732894 - HOT)下的资助。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

冷却无线电波至其量子基态（Cooling radio waves to their quantum ground state）

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.