Quantum hall plasmonics for quantum computation

• Quanten-Hall-Plasmonik für Quantencomputing

Bosco, Stefano; DiVincenzo, David P. (Thesis advisor); Hassler, Fabian (Thesis advisor)

Aachen (2019)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2019

Kurzfassung

Seit seiner ersten Entdeckung hat der Quanten-Hall-Effekt aufgrund seiner faszinierenden Physik und seiner potenziellen realen Anwendungen die Aufmerksamkeit vieler Forscher auf sich gezogen.Tatsächlich weisen Materialien im Quanten-Hall-Regime bemerkenswerte physikalische Eigenschaften auf, die sich in verschiedenen Zweigen der angewandten Wissenschaft als nützlich erweisen können.In dieser Arbeit suchen wir nach Möglichkeiten, diese Materialien im Kontext der Quantenberechnung einzusetzen.Quanten-Hall-Systeme sind im Inneren isolierend, weisen jedoch an den Rändern lückenlose Zustände auf, die dissipationsfreie leitende Kanäle liefern.Aus diesem Grund ist die Antwort auf von außen angelegte elektrische Felder mit energiearmen Anregungen verbunden, die an den Rändern der Probe lokalisiert sind.Wir präsentieren ein Modell zur Beschreibung der Dynamik dieser Anregungen und spezialisieren uns auf Systeme, bei denen das Quanten-Hall-Material kapazitiv an externe Elektroden gekoppelt ist, die von zeitabhängigen Potentialen getrieben werden. Da bei diesen Strukturen die Zeitumkehrsymmetrie gebrochen ist, typischerweise durch ein äußeres Magnetfeld, breiten sich die energiearmen Anregungen chiral entlang der Materialkanten aus und können so zur Realisierung verlustarmer nicht-reziproker Bauelemente wie zum Beispiel Gyratoren und Zirkulatoren verwendet werden.Zirkulatoren sind Schlüsselkomponenten für die gerichteteSteuerung von Festkörper-Qubits, da sie das in die Kühlaggregate eindringende thermische Rauschen auf das für die Quantenberechnung erforderliche Maß reduzieren. In einem Quantencomputer erwartet man mindestens einen Zirkulator pro Ausleseschaltung.Zirkulatoren nach dem Stand der Technik basieren in der Regel auf dem Faraday-Effekt. Obwohl diese hinsichtlich der Verluste gut funktionieren, können sie nicht unter die Wellenlänge des Signals skaliert werden.Im Mikrowellenbereich, in dem die Wellenlängen wenige Zentimeter betragen, führt diese Einschränkung zu ungelegen sperrigen Bauelementen, deren Größe die Skalierbarkeit von Festkörperquantenprozessoren, die aus einer großen Anzahl von Qubits bestehen, drastisch limitiert.Im Gegensatz dazu sind nicht-reziproke Mikrowellen-Quanten-Hall-Effekt-Bauelemente technologisch vorteilhaft, da sie kompakt auf dem Chip hergestellt werden können.Ein weiteres nützliches Merkmal des Quanten-Hall-Effekts besteht darin, dass eine kleine Menge an Strom, die in das System gezwungen wird, einen großen Potentialabfall zwischen den gegenüberliegenden Kanten verursacht.Wir diskutieren, wie diese Eigenschaft genutzt werden kann, um verlustarme Mikrowellenübertragungsleitungen und Resonatoren mit einer charakteristischen Impedanz in der Größenordnung des Widerstandsquantums $ R_K \approx 25.8 \ \mathrm{k} \Omega $ herzustellen.Der hohe Wert der Impedanz garantiert, dass die Spannung pro Photon hoch ist, und folglich sind Resonatoren mit hoher Impedanz vielversprechend für die Konstruktion einer großen elektrostatischen Kopplung zwischen Mikrowellenphotonen und Systemen mit einem kleinen Ladungsdipol, wie Spin-Qubits.

Einrichtungen

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