Quantum measurements in Majorana circuit quantum electrodynamics

• Quantenmessungen in der Schaltkreis-Quantenelektrodynamik der Majorana Quasiteilchen

Ohm, Christoph; Hassler, Fabian (Thesis advisor); Schmidt, Thomas (Thesis advisor); DiVincenzo, David P. (Thesis advisor)

Aachen (2016, 2017)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2016

Kurzfassung

Quantencomputing ist ein facettenreiches Forschungsfeld, welches die physikalische Realisierung von Quantensystemen und deren Manipulation beabsichtigt. Die vorliegende Arbeit diskutiert die Kombination zweier bemerkenswerter Ansätze in dem Bestreben nach einem vollständig einsatzfähigen Quantencomputer---die Schaltkreis-Quantenelektrodynamik und topologisches Quantencomputing basierend auf Majorana Quasiteilchen. In der Schaltkreis-Quantenelektrodynamik wird Quanteninformation in kleinen supraleitenden Bauelementen eines Schaltkreises gespeichert, deren Wechselwirkung mit elektromagnetischen Feldern im Mikrowellenbereich es erlaubt Quanteninformation in effektiver Weise zu verarbeiten. Wie sich gezeigt hat, ist dieses Verfahren überaus nützlich zur Kontrolle und zum Auslesen supraleitender Qubits, also derjenigen Bauelemente, die Quanteninformation enthalten. Aufgrund der bemerkenswert hohen Licht-Materie Kopplungsstärken, die für supraleitende Qubits in Mikrowellen-Resonatoren erzielt werden können, ist die Schaltkreis-Quantenelektrodynamik- Architektur in besonderem Maße hilfreich um hochempfindliche Quantenmessungen durchzuführen. Die Supraleitung selbst ist ein faszinierender Materiezustand, der eine Vielzahl unterschiedlicher Phänomene aufzeigt. Insbesondere die Entdeckung topologischer Phasen in der Supraleitung eröffnete neue Horizonte für das Quantencomputing. Ein bemerkenswertes System, in dem topologische Supraleitung auftritt, ist ein halbleitender-supraleitender Nanodraht an dessen Enden spezielle Nullmoden auftreten. Diese sogenannten Majorana-Nullmoden sind bemerkenswert robust gegenüber Dekohärenz und eignen sich daher ideal für fehlertolerantes Quantencomputing.Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wird die Möglichkeit untersucht Majorana-Nullmoden an Mikrowellenstrahlung zu koppeln. Der hier betrachtete Licht-Materie Kopplungsmechanismus entsteht für Majorana Nullmoden, die sich an einem supraleitenden Tunnelontakt mit angelegter Spannung befinden. Die Emission von Mikrowellen-Strahlung durch die Majorana-Nullmoden resultiert in kohärenter Strahlung, welche mit der halben Josephson-Frequenz abgestrahlt wird. Auf Basis dieser fraktionellen Josephson-Strahlung wird ein Mikrowellen-basiertes Ausleseverfahren für Majorana-Qubits vorgeschlagen. Wie in der Schaltkreis-Quantenelektrodynamik üblich, kann das vorgeschlagene Verfahren ein das Majorana-Qubit auf nicht-invasive Weise auslesen.Im letzten Teil der Arbeit wird ein neuartiges Verfahren zur Erzeugung von Quantenverschränkung, welche durch Messung induziert wird, zwischen entfernt liegenden supraleitenden Qubits vorgeschlagen, wie es zur Quantenkommunikation benötigt wird. Durch Messung eines einzelnen Photons, welches einen Mach-Zehnder interferometrischen Aufbau durchläuft, wird Quantenverschränkung deterministisch und mittels einer einzelnen Messung erzeugt. Das diskutierte Verfahren beruht im wesentlichen auf der starken Kopplung zwischen den Qubits und dem Photon.

Einrichtungen

• Juniorprofessur für Theoretische Physik (kondensierte Materie) [137230]
• Fachgruppe Physik [130000]