Coherence properties of superconducting flux qubits

• Kohärenzeigenschaften von supraleitenden Qubits

Spilla, Samuele; Splettstößer, Janine (Thesis advisor); Terhal, Barbara (Thesis advisor); Napoli, A. (Thesis advisor)

Aachen (2016)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen, 2015. - Dissertation, Università degli Studi di Palermo, 2015

Kurzfassung

Diese Doktorarbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung supraleitender Josephson Qubits. Supraleitende Qubits sind eines der Beipiele für in Festkörpern realisierte "künstliche Atome" und sie basieren auf den Eigenschaften von lithographisch definierten Josephson-Tunnelbarrieren an der Schnittstelle zwischen zwei supraleitenden Elementen. Wenn diese Bauteile ausreichend gekühlt werden, dann zeigen sich Zustände von quantisierter Ladung, quantisiertem Fluss oder quantisierter Phasendifferenz - abhängig von den Parametern, die den konkreten Aufbau bestimmen. In diesem Fall ist es möglich die kohärente Zeitentwicklung von Quantenzuständen zu beobachten. Die Ergebnisse, die in dieser Arbeit präsentiert werden lassen sich in zwei Themengebiete unterteilen. Im ersten Teil untersuchen wir Qubit-Operationen, die auf der Quantenkohärenz in SQUIDs (kurz für "superconducting quantum interference devices) basieren. Wir interpretieren experimentelle Daten, die aus der Messung eines SQUID resultieren, dessen effektives Potential schnell und mit großer Amplitude moduliert wurde. Diese Arbeit wurde dadurch angeregt, dass in den letzten Jahren Versuche unternommen wurden, das scheinbare Quanten-Verhalten von physikalischen Systemen, zum Beispiel von solchen mit Josephson-Barrieren, mithilfe klassischer Effekte zu verstehen. Darüber hinaus haben wir die Möglichkeit erschlossen, maximal verschränkte Zustände - sogenannte GHZ Zustände - in aus drei Josephson Qubits bestehenden Quantensystemen zu generieren. Dabei haben wir uns besonders auf die möglichen Einschränkungen bei der Erzeugung von GHZ Zuständen konzentriert, die aus einer Ankopplung an ein bosonisches Bad resultieren. Im zweiten Teil dieser Arbeit beschäftigen wir uns mit einer speziellen Ursache für die Dekohärenz von supraleitenden Fluss-Qubits, die bisher unbeachtet geblieben ist: das sind Temperaturunterschiede, die aus unbeabsichtigten Nichtgeichgewichtsverteilungen von Quasiteilchen entstehen können. Der Auslöser für die schädliche Dekohärenz ist die Tatsache, dass Wärmeströme, die aufgrund eines Temperaturgradienten durch Josephson-Barrieren fließen, periodisch von der Phasendifferenz zwischen den angrenzenden supraleitenden Elementen abhängen. Diese Abhängigkeit von der Phase ist eine Folge von Andreev-Reflexion, also einem Wechselspiel zwischen den Quasiteilchen, die den Wärmestrom tragen, und dem phasenabhängigen, supraleitenden Kondensat. Im Allgemeinen sind die Fluss-Qubit-Zustände direkt durch die verschiedenen Phasenunterschiede an den Josephson-Barrieren bestimmt. Deshalb hängt auch der durch einen Temperaturunterschied ausgelöste, phasenabhängige Wärmestrom direkt mit den phasenabhängigen Qubitzuständen zusammen. Wir untersuchen hier, wie die Wärmeströme vom Qubit-Zustand abhängen und zeigen, dass damit eine Messung des Qubit-Zustands durchgeführt wird. Das führt dazu, dass der Temperaturunterschied einen Einfluss auf die Dynamik des Systems hat. Wir zeigen, dass durch diese neu erforschte Ursache für Dekohärenz Limitierungen der Kohärenzzeit von Fluss-Qubits im sogenannten Delft-Design entstehen, die von der Größenordnung von einigen Mikrosekunden sind. Im Gegensatz dazu finden wir, dass das Fluxonium Qubit gegen diesen Dekohärenzmechanismus aufgrund einer "Super-Induktivität" geschützt ist.

Einrichtungen

• Lehr- und Forschungsgebiet Theoretische Physik (kondensierte Materie) (N.N.) [135920]
• Fachgruppe Physik [130000]