Quantum circuit refrigerator for superconducting circuits : qubit reset and microwave gain

• Quantenschaltungskühlschrank für supraleitende Schaltungen: Qubit-Reset und Mikrowellenverstärkung

Hsu, Hao; DiVincenzo, David (Thesis advisor); Hassler, Fabian (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021, 2022)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Kurzfassung

Das Quantencomputing ist zu einem der Grundpfeiler der Forschung in der Quantentechnologie geworden. Nach einem der DiVincenzo-Kriterien ist die schnelle und präzise Resetten eines Qubits notwendig, um Quantencomputer zu realisieren. Kürzlich wurde experimentell und theoretisch nachgewiesen, dass ein "Quantenschaltungskühlschrank" (QCR), der aus einem vorgespannten Supraleiter-Isolator-Normalmetall-Isolator-Supraleiter-Tunnelübergang (SINIS) besteht, supraleitende Resonatoren kühlen kann. Im ersten Teil dieser Arbeit erweitern wir die zuvor entwickelte Theorie, um einen QCR zu untersuchen, der an einen generischen supraleitenden Schaltkreis gekoppelt ist, wobei Fermis goldene Regel zur Berechnung der QCR-induzierten Übergangsraten verwendet wird. Wir erörtern spezifische Beispiele, darunter QCR-Transmon und QCR-kapazitiv geshuntete Flux-Qubit-Systeme, und sagen 99,99% Reset-Treue in einer Reset-Zeit von wenigen bis einigen zehn Nanosekunden voraus, je nach Szenario. Darüber hinaus kann die QCR-induzierte Zerfallsrate des gekoppelten Qubits durch Ändern der Vorspannung des QCR ein- und ausgeschaltet werden, wobei das Ein/Aus-Verhältnis bei typischen experimentellen Parametern größer als 10^5 ist. Daher scheint der QCR ein vielversprechendes Werkzeug für das Zurücksetzen von Qubits und für detaillierte Studien von offenen Quantensystemen zu sein. Um die Dynamik der Überschussladung auf der Normalmetallinsel genauer zu untersuchen, leiten wir eine Hauptgleichung für ein QCR-Zwei-Niveau-System ab. Wir stellen fest, dass ausgehend von einer stationären Überschussladungsverteilung auf der Normalmetall-Insel die Verteilung dank der langsameren Ladungsrelaxationsrate als der Dekohärenzrate des freien Qubits im ausgeschalteten Zustand und der QCR-induzierten Qubit-Zerfallsrate immer in ihrem stationären Zustand bleibt, wodurch die oben dargestellte Theorie bestätigt wird. Auf der Grundlage des Master-Gleichungsansatzes ziehen wir auch die Anwendung einer Wechselspannung zur Steuerung des QCR in Betracht, was ein durch die Antriebsamplitude abgestimmtes 10^4 Ein/Aus-Verhältnis ermöglicht. Wir erreichen eine Verringerung der Qubit-Anregung um eine Größenordnung innerhalb einer Zeit von 40 ns und eine verbleibende Reset-Infidelität von weniger als 10^−4, was mit dem gleichstromgesteuerten QCR vergleichbar ist. Schließlich untersuchen wir ein so genanntes Punkt-QCR-System, bei dem die Normalmetallinsel des regulären QCR durch einen Quantenpunkt ersetzt wird, so dass die entsprechende Ladeenergie zur größten Energieskala wird. Mit Hilfe des Master-Gleichungsansatzes finden wir heraus, dass die durch die Punkt-QCR induzierte Zerfallsrate zwar niedrig ist, es aber einen Spannungsbereich gibt, der in der regulären QCR nicht vorkommt, in dem die photonenunterstützten Tunnelungen als Pumpmechanismus dienen. Wir untersuchen eine mögliche Anwendung der resultierenden Mikrowellenverstärkung durch Kopplung des Punkt-QCR an einen Resonator und stellen fest, dass die gelieferte maximale Leistung 38 Femtowatt beträgt. Interessanterweise stellen wir fest, dass der Fano-Faktor einer solchen Mikrowellenquelle kleiner als eins sein kann, was auf einen nicht-klassischen Zustand des Lichts hindeutet, der in der Quantenmetrologie nützlich sein könnte.

Einrichtungen

• Fachgruppe Physik [130000]
• Lehrstuhl für Theoretische Physik [137310]