Mechanical Resonators Coupled to Superconducting Circuits

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Sillanpää, Mika, Prof., Aalto University, O.V. Lounasmaa Laboratory, Finland
dc.contributor.author Pirkkalainen, Juha-Matti
dc.date.accessioned 2014-02-27T10:00:06Z
dc.date.available 2014-02-27T10:00:06Z
dc.date.issued 2014
dc.identifier.isbn 978-952-60-5581-7 (electronic)
dc.identifier.isbn 978-952-60-5580-0 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn 1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/12659
dc.description.abstract In the late 1960s and early 1970s, the development of mechanical resonators was pushed forward in efforts to record gravitational waves. In order to push down the limit of the smallest detectable force, the radiation circulating in a Fabry-Perot cavity was demonstrated to modify the damping of the cavity end-mirror suspended to act as a mechanical resonator. A few years later, motivated by the study of the internal properties of atoms and ions, the radiation pressure of light was realized as a means to cool atomic motion. In the following years, the ground-state cooling of ion motion was achieved in landmark studies. For mechanical resonators parametrically coupled to Fabry-Perot cavities, it took much longer to reach quantum ground-state cooling, both in the microwave domain, where the original experiments took place, and in the optical domain. Ground-state cooling in both regimes was reached by three groups during the preparation of this thesis and was largely due to advancements in the fabrication methods. Ground-state cooling allows, in principle, the quantum nature of mechanical resonators to be probed and harnessed. Microwave domain devices, which are focused on in this thesis, have the advantage that nonlinear elements (superconducting quantum bits, qubits) are readily available. These elements enable nonclassical state preparation of the qubit and the subsequent transfer to the microwave cavity. The goal is to transfer these quantum states to mechanical resonators. This would allow mechanics to be used as a quantum mechanical memory in quantum information processing thanks to their long lifetimes. In this thesis, various aspects of microwave domain circuit optomechanics are studied. The main goal of this thesis is to study how to enhance the coupling between a quantum regime microwave device and a mechanical resonator by using Josephson junction –based qubits. Coherent interaction between a superconducting qubit and a classical driven mechanical field is demonstrated. The analysis presented in this thesis predicts that ground-state cooling and coherent state transfer is possible in the single-phonon regime with transmon-regime qubits. Also, traditional linear optomechanical systems are considered in which the mechanical resonator is coupled to an electrical resonator. Such systems exhibit a rich spectrum of phenomena from which the quantum-limited amplification and multimode effects are considered in this thesis. It is shown that the system operates near quantum-limited amplification, which could be reached if the mechanical resonator was in the ground state. en
dc.description.abstract 1960- ja 1970-luvun taitteessa kehitettiin mekaanisia värähtelijöitä entistä herkemmiksi mittalaitteiksi. Tätä kehitystä ajoi eteenpäin mm. yritykset mitata gravitaatioaaltoja. Yhä pienempien voimien erottamiseksi osoitettiin, että kaviteetin yhtenä päätypeilinä toimivan mekaanisen värähtelijän häviöitä pystyttiin hallitsemaan kaviteettiin syötettävän sähkömagneettisen kentän avulla. Muutamia vuosia myöhemmin atomien sisäisten rakenteiden tutkijat esittivät, että säteilypaineen avulla pystyttiin jäähdyttämään atomien liikettä. Tästä alkanut kehityskulku johti ionien liikkeen jäähdyttämiseen perustilaansa kokeissa, joita pidetään erittäin merkittävinä tieteellisinä saavutuksina. Mekaanisten värähtelijöiden jäähdyttäminen perustilalle niihin kytketyn kaviteetin avulla vei paljon enemmän aikaa ja ne saavutettiin niin optisella kuin mikroaaltoalueellakin vasta tällä vuosikymmenellä paljolti kehittyneiden valmistusmenetelmien ansiosta. Mekaanisten värähtelijöiden jäähdyttäminen perustilalle mahdollistaa niiden kvantti-mekaanisen luonteen todentamisen sekä hyödyntämisen. Mikroalueella toimivien supra-johtavien piirien, joita tässä väitöskirjassa käytetään, etuna on kehittyneiden epälineaaristen komponenttien (kvanttibittien eli kubittien) helppo valmistus. Epälineaariset komponentit mahdollistavat epäklassisten tilojen luomisen kubittiin sekä tilan siirron mikroaalto-kaviteettiin ja mekaaniseen värähtelijään. Mekaanisia värähtelijöitä voidaan näissä systeemeissä käyttää kvanttimekaanisen tiedon tallentamiseen niiden erinomaisen elinajan ansiosta. Tämän väitöskirjan aiheina ovat mikroaaltoalueen lineaarinen ja epälineaarinen opto-mekaniikka. Päätavoitteena on tutkia optomekaanisen kytkennän kasvattamista Josephson-liitoksiin perustuvien suprajohtavien piirien avulla. Työn päätuloksena toteutetaan kvanttikoherentti kytkentä suprajohtavan kubit ja klassisen mekaanisen värähtelijän välillä. Työssä analysoidaan lisäksi mekaanisen värähtelijän kytkemistä nk. transmon-kubittiin ja osoitetaan, että mekaaniikan perustilalle jäähdyttäminen sekä koherentti kytkentä kubittiin on mahdollista yhden mekaanisen kvantin tasolla. Väitöskirjassa tutkitaan myös lineaarista optomekaniikkaa, jossa mekaaninen värähtelijä on lineaarisesti kytketty sähköiseen värähtelijään. Työssä näytetään, että systeemi toimii vahvistimena sähköiseen värähtelijään tuleville mikroaalloille ja osoitetaan vahvistuksen kohinan olevan kvanttimekaaniikan lakien rajoittamaa, jos mekaaninen värähtelijä itse on jäähdytetty perustilalleen. fi
dc.format.extent 120 + app. 76
dc.format.mimetype application/pdf en
dc.language.iso en en
dc.publisher Aalto University en
dc.publisher Aalto-yliopisto fi
dc.relation.ispartofseries Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS en
dc.relation.ispartofseries 24/2014
dc.relation.haspart [Publication 1]: F. Massel, T. T. Heikkilä, J.-M. Pirkkalainen, S. U. Cho, H. Saloniemi, P. J. Hakonen, and M. A. Sillanpää. Microwave amplification with nanomechanical resonators. Nature 480, 351–354 (2011). DOI: 10.1038/nature10628
dc.relation.haspart [Publication 2]: F. Massel, S. U. Cho, J.-M. Pirkkalainen, P. J. Hakonen, T. T. Heikkilä, and M. A. Sillanpää. Multimode circuit optomechanics near the quantum limit. Nature Communications 3, 987 (2012). DOI: 10.1038/ncomms1993
dc.relation.haspart [Publication 3]: J. Li, M. P. Silveri, K. S. Kumar, J.-M. Pirkkalainen, A. Vepsäläinen, W. C. Chien, J. Tuorila, M. A. Sillanpää, P. J. Hakonen, E. V. Thuneberg, and G. S. Paraoanu. Motional averaging in a superconducting qubit. Nature Communications 4, 1420 (2013). DOI: 10.1038/ncomms2383
dc.relation.haspart [Publication 4]: J.-M. Pirkkalainen, S. U. Cho, J. Li, G. S. Paraoanu, P. J. Hakonen, and M. A. Sillanpää. Hybrid circuit cavity quantum electrodynamics with a micromechanical resonator. Nature 494, 211–215 (2013). DOI: 10.1038/nature11821
dc.relation.haspart [Publication 5]: D. Gunnarsson, J.-M. Pirkkalainen, J. Li, G. S. Paraoanu, P. J. Hakonen, M. A. Sillanpää, and M. Prunnila. Dielectric losses in multi-layer Joseph- son junction qubits. Superconductor Science and Technology 26, 085010 (2013). DOI: 10.1088/0953-2048/26/8/085010
dc.relation.haspart [Publication 6]: M. Berdova, S. U. Cho, J.-M. Pirkkalainen, J. Sulkko, X. Song, P. J. Hakonen, and M. A. Sillanpää. Micromanipulation transfer of membrane resonators for circuit optomechanics. Journal of Micromechanics and Microengineering 23, 125024 (2013). DOI: 10.1088/0960-1317/23/12/125024
dc.subject.other Physics en
dc.title Mechanical Resonators Coupled to Superconducting Circuits en
dc.title Mekaanisten värähtelijöiden kytkeminen suprajohtaviin piireihin fi
dc.type G5 Artikkeliväitöskirja fi
dc.contributor.school Perustieteiden korkeakoulu fi
dc.contributor.school School of Science en
dc.contributor.department O.V. Lounasmaa -laboratorio fi
dc.contributor.department O.V. Lounasmaa Laboratory en
dc.subject.keyword optomechanics en
dc.subject.keyword mechanical resonators en
dc.subject.keyword superconducting qubits en
dc.subject.keyword optomekaniikka fi
dc.subject.keyword mekaaniset värähtelijät fi
dc.subject.keyword suprajohtavat kubitit fi
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-952-60-5581-7
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.contributor.supervisor Sillanpää, Mika, Prof., Aalto University, O.V. Lounasmaa Laboratory, Finland
dc.opn Polzik, Eugene, Prof., Niels Bohr Institute, Copenhagen University, Denmark
dc.contributor.lab Department of Applied Physics en
dc.rev Esteve, Daniel, Prof., CEA-Saclay, France
dc.rev Johansson, Göran, Prof., Chalmers University of Technology, Sweden
dc.date.defence 2014-04-11


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

My Account