Quantum Heat Engine Based on Superconducting Circuits
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2024-11-08
Department
Major/Subject
Materials Physics and Quantum Technology
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Engineering Physics
Language
en
Pages
88
Series
Abstract
Heat engines are universally utilized devices that convert heat into work. Whereas classical systems are well-explored, quantum systems provide novel insights into the fundamental laws governing energy transfer and conversion at microscopic heat engines. These devices exploit quantum states and coherence in harnessing energy from heat reservoirs. Superconducting circuits offer a scalable and tunable platform for realizing such a quantum heat engine through tunable heat transport and quantum working mediums. Studying quantum heat engines in superconducting circuits not only allows for gaining deeper knowledge of quantum thermodynamics but also helps in improving the control of thermal environments in these devices. In this thesis, we aim to study and demonstrate a quantum heat engine operating with a quantum Otto cycle in a superconducting circuit sample. The working medium of the heat engine is a flux-tunable transmon qubit coupled to a quantum-circuit refrigerator operating as a two-way tunable heat bath. The adiabatic and isochoric strokes of the Otto cycle are carried out with flux and quantum-circuit refrigerator voltage tuning using alternating current pulses, respectively. The operation of the heat engine is characterized by measuring the populations of the transmon states during the cycles using single-shot readout and Gaussian mixture models for qubit state identification, and by calculating the corresponding thermodynamic quantities of the cycle. The resulting transmon populations, mean energies, and thermal-state temperatures agree with those acquired from numerical simulations of the heat engine evolution. The calculated mean absorbed heat, total work, power, and efficiency of the measured cycles are within a reasonable range from the simulated values. In conclusion, this study demonstrates the operation and performance of a quantum heat engine in a superconducting circuit, improving control over dissipation-engineered thermal environments and paving the way for other heat engine realizations based on superconducting circuits.Lämpövoimakoneet ovat yleisesti käytetyjä laitteita, jotka muuntavat lämpöä työksi. Vaikka klassisia systeemejä onkin tutkittu perusteellisesti, kvanttimekaaniset systeemit tarjoavat uusia näkökulmia energian siirtoa ja muuntamista koskeviin peruslakeihin mikroskooppisen kokoisissa lämpövoimakoneissa. Näissä laitteissa hyödynnetään kvanttitiloja ja -koherenssia lämpövarannoista saatavan energian valjastamiseen. Suprajohtavat virtapiirit tarjoavat skaalautuvan ja muokattavan alustan tällaisten kvanttilämpövoimakoneiden toteuttamiseen muokattavan lämmönsiirron ja kvanttimekaanisten väliaineiden avulla. Kvanttilämpövoimakoneiden tutkiminen suprajohtavissa virtapiireissä ei ainoastaan mahdollista syvemmän tiedon kerryttämistä kvanttitermodynamiikasta, vaan auttaa myös kehittämään näiden laitteiden ympäristön lämmön hallintaa. Tässä tutkielmassa pyrimme tutkimaan ja demonstroimaan kvanttiottosyklillä toimivaa kvanttilämpövoimakonetta suprajohtavista virtapiireistä luodulla näytteellä. Lämpövoimakoneen väliaineena toimii magneettivuolla säädettävä transmon-kubitti, joka on kytketty kaksisuuntaisena lämpövarantona toimivaan kvanttipiirijäähdyttimeen. Ottosyklin adiabaattiset ja isokooriset tahdit toteutetaan magneettivuon ja kvanttipiirijäähdyttimen vaihtovirtapulssien avulla. Lämpövoimakoneen toimintaa tutkitaan mittaamalla transmonin tilojen populaatioita syklien aikana hyödyntämällä yksittäisiä otoksia ja Gaussista seosmallia kubitin tilan tunnistamiseen sekä laskemalla populaatioita vastaavat syklin termodynaamiset suureet. Tuloksena saadut transmonin populaatiot, keskimääräiset energiat ja termisen kvanttitilan lämpötilat vastaavat kvanttilämpövoimakoneen aikakehityksen numeerisista simulaatioista saatuja arvoja. Mitatuista sykleistä lasketut keskimääräiset absorboidun lämmön, kokonaistyön, tehon ja hyötysuhteen arvot ovat kohtuullisen lähellä simuloituja arvoja. Yhteenvetona voidaan todeta, että tämä tutkimus demonstroi suprajohtaviin virtapiireihin perustuvan kvanttilämpövoimakoneen toimintaa ja suorituskykyä, mikä edesauttaa suunniteltujen ympäristöjen lämmön hallintaa sekä luo pohjaa muille suprajohtaviin virtapiireihin perustuville lämpövoimakoneille.Description
Supervisor
Möttönen, MikkoThesis advisor
Mörstedt, TimmKeywords
quantum heat engine, quantum-circuit refrigerator, superconducting qubit, quantum Otto cycle, quantum thermodynamics, single-shot readout