Learning Centre

Towards calorimetric detection of individual itinerant microwave photons

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Möttönen, Mikko, Doc., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
dc.contributor.author Govenius, Joonas
dc.date.accessioned 2016-09-13T09:01:34Z
dc.date.available 2016-09-13T09:01:34Z
dc.date.issued 2016
dc.identifier.isbn 978-952-60-7001-8 (electronic)
dc.identifier.isbn 978-952-60-7002-5 (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/123456789/21921
dc.description.abstract This dissertation focuses on the development of a new type of thermal microwave photodetector based on superconductor–normal-metal–superconductor (SNS) junctions.  We motivate the development of the detector mainly by microwave quantum optics applications in the context of superconducting qubits coupled to microwave transmission lines and resonators, i.e., in the context of circuit quantum electrodynamics (cQED). In cQED, single-photon microwave pulses naturally arise as a results of a qubit exchanging its excitation with a transmission line. While immense progress has been achieved in cQED in general, and in linear microwave amplification in particular, the challenge of developing an efficient and practical detector for single itinerant photons remains open, mostly due to the exceedingly small energy of individual microwave photons. This prevents microwave implementations of a certain class of quantum optical protocols, including the parity measurement protocol proposed in this dissertation.  The core of this dissertation is dedicated to introducing our detector design, discussing the thermal properties of the detector in detail, and demonstrating the operation of the detector in a time-gated threshold detection mode. In particular, we demonstrate threshold detection of coherent 8.4 GHz microwave pulses containing roughly 200 photons, or 1.1 zJ of energy. Compared to other thermal detectors, this is an order of magnitude improvement in the energy of the detected pulses.  In addition, we characterize the linear response of the SNS junctions as separate components. That is, we embed the junctions in a microwave circuit that is specifically designed to allow determining the electrical admittance of the SNS junctions from the response of the circuit as a whole. en
dc.description.abstract Tämä väitöskirja keskittyy uudentyyppisen mikroaaltofotoni-ilmaisimen kehitykseen. Ilmaisin perustuu suprajohde–normaalimetalli–suprajohde-liitoksiin (SNS).  Ilmaisin on suunnattu lähinnä mikroaaltotaajuuksilla tapahtuviin kvanttioptiikan sovellutuksiin, joissa suprajohtavat kvanttibitit (eli kubitit) kytketään mikroaaltosiirtolinjoihin. Tällaisissa niin sanotuissa piirikvanttisähködynamiikan kokeissa yhden fotonin mikroaaltopulsseja syntyy luonnollisesti virittyneen kubitin luovuttaessa energiansa mikroaaltosiirtolinjaan. Yhden fotonin liikkuvia mikroaaltopulsseja ei kuitenkaan kyetä havaitsemaan tehokkaasti nykyään käytössä olevalla tekniikalla, lähinnä yksittäisten mikroaaltofotonien häviävän pienen energian vuoksi. Tämä siitäkin huolimatta, että lineaariset vahvistimet, joita useimmiten käytetään mikroaaltomittauksissa, ovat kehittyneet viime vuosina vahvasti. Ilman yksifotoni-ilmaisia eräitä kvanttioptiikan menetelmiä ei voida kuitenkaan hyödyntää, mukaan lukien pariteettimittausmenetelmä, jota ehdotetaan tässä väitöskirjassa.  Väitöskirjan keskeisimmässä osassa esitetään ilmaisimen toimintaperiaate ja tärkeimmät termodynaamiset ominaisuudet sekä tutkitaan kuinka heikkoja mikroaaltopulsseja ilmaisin kykenee havaitsemaan. Jos pulssin saapumisaika tiedetään, ilmaisimen laukeamiseen riittää noin 200 fotonin koherentti 8.4 GHz:n pulssi, eli 1.1 zJ:a energiaa. Tämä on kertaluokkaa pienempi energia kuin mitä aiemmin on kyetty havaitsemaan lämpötilamuutoksen mittaamiseen perustuvilla tekniikoilla.  Lisäksi väitöskirjassa tutkitaan SNS-liitosten sähköistä lineaarivastetta erillään ilmaisimesta. Määrittämme liitosten admittanssin mittaamalla SNS-liitokset osana piiriä, joka on tätä tarkoitusta varten suunniteltu ja jonka ominaisuudet tunnemme ennalta tarkasti. fi
dc.format.extent 68 + app. 45
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 179/2016
dc.relation.haspart [Publication 1]: J. Govenius, Y. Matsuzaki, I. G. Savenko, and M. Möttönen. Parity measurement of remote qubits using dispersive coupling and photodetection. Physical Review A, 92, 042305, October 2015. DOI: 10.1103/PhysRevA.92.042305
dc.relation.haspart [Publication 2]: J. Govenius, R. E. Lake, K. Y. Tan, V. Pietilä, J. K. Julin, I. J. Maasilta, P. Virtanen, and M. Möttönen. Microwave nanobolometer based on proximity Josephson junctions. Physical Review B, 90, 064505, August 2014. DOI: 10.1103/PhysRevB.90.064505
dc.relation.haspart [Publication 3]: J. Govenius, R. E. Lake, K. Y. Tan, and M. Möttönen. Detection of zeptojoule microwave pulses using electrothermal feedback in proximity induced Josephson junctions. Physical Review Letters, 117, 030802, July 2016. DOI: 10.1103/PhysRevLett.117.030802
dc.relation.haspart [Publication 4]: R. E. Lake, J. Govenius, R. Kokkoniemi, K. Y. Tan, M. Partanen, P. Virtanen, and M. Möttönen. Microwave admittance of gold-palladium nanowires with proximity-induced superconductivity. Submitted to Advanced Electronic Materials, arXiv:1607.08900v1, 2016.
dc.subject.other Physics en
dc.title Towards calorimetric detection of individual itinerant microwave photons en
dc.title Kohti yksittäisten vapaiden mikroaaltofotonien kalorimetristä mittausta fi
dc.type G5 Artikkeliväitöskirja fi
dc.contributor.school Perustieteiden korkeakoulu fi
dc.contributor.school School of Science en
dc.contributor.department Teknillisen fysiikan laitos fi
dc.contributor.department Department of Applied Physics en
dc.subject.keyword microwave en
dc.subject.keyword photodetection en
dc.subject.keyword calorimetric en
dc.subject.keyword SNS en
dc.subject.keyword mikroaalto fi
dc.subject.keyword fotoni fi
dc.subject.keyword ilmaisin fi
dc.subject.keyword kalorimetrinen fi
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-952-60-7001-8
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.contributor.supervisor Kaivola, Matti, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
dc.opn Ullom, Joel N., Dr., National Institute of Standards and Technology, USA
dc.contributor.lab Quantum Computing and Devices en
dc.rev Withington, Stafford, Prof., University of Cambridge, UK
dc.rev Inomata, Kunihiro, Dr., RIKEN Center for Emergent Matter Science, Japan
dc.date.defence 2016-09-30
local.aalto.formfolder 2016_09_13_klo_09_55
local.aalto.archive yes


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