Engineering the coupling of superconducting qubits

Ciani, Alessandro; DiVincenzo, David (Thesis advisor); Hassler, Fabian (Thesis advisor)

Aachen (2019)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2019

Kurzfassung

Die Realisierung eines skalierbaren und zuverlässigen Quantencomputers, der tatsächlich die Quanten-Vorteile ausnutzt, steht vor mehreren Herausforderungen. Unter den verschiedenen Vorschlägen einer Implementierung eines Quantencomputers haben sich supraleitende Qubits rasch verbessert und sind sehr vielversprechend in absehbarer Zukunft. Insbesondere die Möglichkeit, die benötigten Wechselwirkungen einzustellen, ist eine der attraktivsten Eigenschaften dieser Architektur. Diese Dissertation handelt von einigen detaillierten Aspekten dieses Problems, wobei Architekturen, welche auf supraleitende Qubits ähnlich dem Transmon basieren, im Vordergrund stehen. Nach der Besprechung grundlegender Werkzeuge, die für die Untersuchung supraleitender Schaltkreise benötigt werden, sowie der wichtigsten supraleitenden Qubits analysieren wir einen möglichen Entwurf für die Realisierung einer direkten Paritätsmessung. Die Messungen der Parität, bzw. i.A. sogenannte „stabilizer“ Messungen, sind fundamentale Werkzeuge für die Realisierung einer Quantenfehlerkorrektur. Diese ist fundamental, um das Problem der Dekohärenz, die jede physikalische Implementierung eines Quantencomputers beeinflusst, zu umgehen. Während diese Messungen normalerweise indirekt mit Hilfs-Qubits ausgeführt werden, analysieren wir ein Schema, das diese Messungen direkt ausführt, jedoch die Anpassung einer genauen Bedingung voraussetzt. Wir zeigen, wie ausreichend Freiheiten in der Gestaltung der Wechselwirkung mit „tunable coupling qubits“, die eine Variante des Transmons sind, erreicht werden können. Im zweiten Teil dieser Dissertation betrachten wir ein alternatives Modell eines Quantencomputers sowie eine mögliche Realisierung mit Transmons. Dieses Modell realisiert einen Quantencomputer mit einem zeitunabhängigen Hamilton-Operator und ist nah verwandt mit dem ursprünglichen Modell eines Quantencomputers, das von Feynman vorgeschlagen wurde. Nach der Einführung der Grundideen dieses Modells analysieren wir eine neue Version mit modifizierter Dynamik, welche exakt mit Feynmans ursprünglicher Idee übereinstimmt. Außerdem wird gezeigt, wie das Toffoli-Gatter in diesem Modell realisiert wird. Im Anschluss folgt eine Analyse der Implementierung mit Transmons. Wir zeigen, wie es möglich ist einen Hamilton-Operator zu konstruieren, der die gewünschte Rechnung in einer komplett passiven Arten und Weise sowie mit der gewünschten Bandbreite der Parameter ausführt, wobei störende, unerwünschte Terme limitiert werden.

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