Quantum Heat Engines in Superconducting Circuits

Abstract

As superconducting quantized electric circuits continue to emerge as an exceptionally versatile and powerful platform for quantum computing and other quantum technologies, they also provide a rich foundation for exploring quantum thermodynamics. The study of heat transport in these circuits offers invaluable synergy as understanding the impact of thermal fluctuations becomes increasingly important for their operation.

Heat engines represent one of the most fundamental classes of thermal devices, whether regarding classical or quantum applications. Although heat transport in superconducting circuits has been extensively studied, quantum heat engines (QHE) operating at the limit of a few excitation quanta had not been experimentally realized prior to this work. These engines offer valuable insight into the quantum thermodynamics of superconducting circuits. Beyond fundamental research, the beseeching goal is to develop integrated QHEs which generate useful work in conjunction with other quantum technologies. In this context, autonomous QHEs, capable of operating without coherent external control, are particularly compelling.

In this thesis, we explore thermodynamics and quantum heat engines, with a particular focus on engineering quantum heat engines using superconducting circuits as our experimental platform. The presented research includes both experimental and theoretical advancements, focusing on driven and autonomous QHEs, respectively.

First, we demonstrate that engineered environments in superconducting circuits can serve as effective thermal reservoirs for externally driven quantum heat engines. Experimentally, we show that a quantum-circuit refrigerator (QCR) can be used not only for cooling but also for heating the coupled circuit. This discovery imminently leads to the experimental realization of a quantum heat engine, where a quantum Otto cycle is driven in a transmon qubit coupled to the QCR.

Second, regarding autonomous quantum heat engines, we theoretically show that non-linear optomechanical coupling can eliminate the need for external driving while providing a method for directly observing the work output. These promising theoretical results suggest that the experimental realization of an autonomous QHE is ultimately a matter of careful circuit engineering. However, achieving this experimentally remains a tantalising challenge for future research, beyond the scope of the present work.

Suprajohtavat kvantitetut sähköpiirit tarjoavat monipuolisen ja tehokkaan alustan kvanttilaskennan sovelluksille sekä muille kvanttiteknologioille. Lisäksi ne luovat ennennäkemättömiä mahdollisuuksia kvanttitermodynamiikan tutkimukselle. Lämpökohinan ja lämmönsiirtomekanismien tutkiminen tällaisissa piireissä on hyödyllistä, sillä kvanttiteknologioiden kehittyessä satunnaisvaihteluiden vaikutusten ymmärtäminen nousee yhä tärkeämpään rooliin piirien toiminnan kannalta.

Lämpövoimakoneet muodostavat tärkeän luokan lämpöä energianlähteenään hyödyntävistä laitteista sekä klassisissa että kvanttimekaanisissa sovelluksissa. Vaikka lämmönsiirtoa suprajohtavissa piireissä on tutkittu laajalti jo aiemmin, kvanttilämpökoneita, jotka toimivat matalan miehitysluvun rajalla, ei ole kokeellisesti toteutettu ennen tätä työtä. Tällaiset kokeet tarjoavat syvällistä ymmärrystä suprajohdepiirien kvanttitermodynamiikasta mahdollistaen kvanttiteknologioiden kehityksen. Perustutkimuksen lisäksi keskeisenä tavoitteena onkin kehittää integroitavia kvanttilämpövoimakoneita, jotka kykenevät tuottamaan hyödyllistä työtä yhdessä muiden kvanttiteknologioiden kanssa. Tässä mielessä erityisen kiinnostavia ovat autonomiset kvanttilämpövoimakoneet, jotka toimivat ilman koherenttia ulkoista ohjausta tai ajoa.

Tässä väitöskirjassa tutkitaan termodynamiikkaa ja kvanttilämpökoneita, erityisesti keskittyen kvanttilämpövoimakoneiden suunnitteluun suprajohtavissa piireissä. Tutkimus kattaa sekä kokeellisia edistysaskelia ulkoisesti ajettujen lämpövoimakoneiden saralla että teoreettisia tuloksia autonomisiin laitteisiin liittyen.

Ensiksi näytämme, että suunnitellut säädettävät lämpöympäristöt voivat toimia tehokkaina lämpökylpyinä ulkoisesti ajetuille kvanttilämpövoimakoneille suprajohtavissa piireissä. Osoitamme kokeellisesti, että kvanttipiirijäähdytin soveltuu paitsi kytketyn suprajohdepiirin jäähdyttämiseen, myös sen lämmittämiseen. Tämä havainto mahdollistaa kvanttilämpövoimakoneen kokeellisen toteutuksen, jossa koherenttia kvantti-Otto-työkiertoa ajetaan kvanttipiirijäähdyttimeen kytketyssä transmon-kubitissa.

Tämän jälkeen tutkimme autonomisia kvanttilämpövoimakoneita ja osoitamme teoreettisesti, että epälineaarinen optomekaaninen kytkentä mahdollistaa ulkoisen ajon poistamisen, sekä tarjoaa keinon koneen lähtötehon suoraan havaitsemiseen. Nämä lupaavat teoreettiset tulokset viittaavat siihen, että autonomisen kvanttilämpövoimakoneen kokeellinen toteutus on viime kädessä vain huolellisen piirisuunnittelun päässä todellisuudesta. Autonomisen kvanttilämpövoimakoneen kokeellinen todentaminen jää kuitenkin tämän työn ulkopuolelle kiehtovaksi tulevaisuuden haasteeksi.