创新背景

热量可以自发地从高温物体传递到低温物体中，但不能自发地沿相反方向进行。热泵是一种充分利用低品位热能的高效节能装置，以逆循环方式迫使热量从低温物体流向高温物体。它仅消耗少量的逆循环净功，就可以得到较大的供热量，可以有效地把难以应用的低品位热能利用起来达到节能目的。

创新过程

两个温度不同的物体放在一起，热量通常从热到冷流动。经过长时间等待后，两个物体将达到相同的温度，这就是物理学中一种热流与另一种方式之间的平衡。

在这里，在红色电路（热低频电路）中流动的电流产生振荡磁场，导致光子 - 压力耦合。通过向蓝色高频电路（冷高频电路）发送强信号，该电路被转换为放大器，能够以更高的灵敏度检测在红色电路中流动的射频光子。

如果打破这种平衡，并通过一些工作使热量以“错误”的方式流动，就可以在冰箱中保持食物的低温，以及在功能良好的热泵中，可以从外面的冷空气中抽取热量保持房屋温暖。

荷兰代尔夫特理工大学、苏黎世联邦理工学院和图宾根大学的物理学家用轻粒子建造了一个量子级热泵，可以让被称为光子的基本量子粒子从热物体“与流动相反”地移动到冷物体。这种泵使研究人员更接近量化射频信号的量子极限，可用于寻找暗物质。相关研究成果《光子压力克尔放大器中的参数增强相互作用和非互易槽动力学》于2022年8月26日发表在《科学进展》上。

量子级热泵本质上是光子压力电路，由硅芯片上的超导电容器和电感器构成，在绝对零度温度下会冷却至几毫度。对于电路中的某些光子来说，这是一个非常高的温度。通过使用光子压力，研究人员将这些激发的光子耦合到更高频率的冷光子上，这在早期的实验中能够将热光子冷却到它们的量子基态。

热泵结合超导射频LC电路与超导微波SQUID腔体，采用电流耦合架构。研究两个超导电路之间实现光子-压力耦合，其中一个可以作为参数放大器工作。研究证明基于克尔的光子-压力单光子耦合率的增强，以及在放大器范围内增加一个数量级的合作性。此外，腔内放大提高了射频信号检测的测量准确性。

克尔效应是瞬时发生的非线性响应，可以被简单的描述为对于折射率的影响。基于约瑟夫逊的克尔非线性已经被证明可以用于各种有趣的微波光子操纵技术，如猫态生成和稳定、玻色子编码量子信息处理、非互易光子传输或超导量子比特的实现。研究证明了克尔非线性可以用于工程增强和新颖的光子压力基础器件，可能在未来实现对射频电路和机械振荡器的精细量子控制。

通过内部克尔放大进行参数化增强的光子-压力相互作用

研究人员通过在冷回路中传递额外的信号，可以制造一个电机，使冷光子被放大和加热。优先在两个电路之间的一个方向上，附加信号的同时“泵送”光子。在电路的一部分中，研究人员可以通过将光子在一个方向上比另一个方向更用力地推动光子来冷却到比另一部分更冷的温度，从而在超导电路中制造光子热泵的量子版本。

目前，研究人员设法将设备变成放大器，因为他们已经在早期的研究中将其用作热射频光子的冷浴。设备与从超导量子处理器释放的放大微波信号类似，对射频信号的反应性更强。研究人员表示，量子级热泵的可以更接近测量射频信号的量子极限，对于寻找暗物质有极大的帮助。

创新关键点

利用热泵原理、克尔效应在两个超导电路之间实现光子-压力耦合，建造量子级热泵增强射频信号测量的准确性。