双量子比特制冷机的解析理论与cQED实现：从4 K热浴到亚100 mK腔冷却

我们发展了一种利用内部关联的两能级系统泊松流冷却微波腔模的理论框架，并在实际耗散条件下分析了其性能。从声子耦合腔与顺序注入原子对的林德布拉德模型出发，我们推导了稳态腔占据数和有效温度的闭合表达式。我们考察了两种耦合构型：单原子构型，其中每对中的一个原子与腔相互作用；以及双原子构型，其中两个原子集体耦合。单原子模型可以实现低于声子热浴的冷却，但无法低于储热器温度；而双原子方案展现出增强的制冷能力——原子对关联改变了腔的向上和向下跃迁速率，使得在弱声子阻尼条件下稳态温度可以远低于储热器温度。我们绘制了包括失谐、耦合强度、阻尼和原子对内交换在内的参数空间，识别了共振附近的冷却谷以及储热器主导与声子主导区域之间的 crossover。因此，双原子构型实现了一种单原子情况下不存在的真正量子增强冷却机制。我们进一步概述了一种实验实现方案，使用两个超导量子比特在三维腔内反复制备、耦合和重置。实际的重置和通量调谐协议支持 MHz 量级的相互作用循环，使得工程化储热器即使在制冷机温度约为 1 K 时也能施加 50–120 mK 的腔温度，为可扩展量子硬件中微波模式的自主片上制冷提供了途径。