Control of heat in superconducting microwave circuits

Abstract

Circuit quantum electrodynamics offers versatile opportunities for various discoveries infundamental physics, as well as for different applications such as sensitive detectors and,ultimately, even a large-scale quantum computer. Since these devices work at cryogenictemperatures and excess heat is a substantial source of errors, it is of great importance to controlthe heat. In this thesis, several techniques for heat control are experimentally investigated. We study heattransfer carried by photons between two heat baths, as well as heat flow between superconductingresonators and their environment. In particular, the focus is on using normal-metal componentsto enhance the operation of superconducting microwave circuits operating at the level of singleenergy quanta. First, we investigate long-distance single-channel heat conduction near the quantum limit, i.e.,the quantum of thermal conductance. As compared to earlier experiments, the distance is increasedby a factor of 10,000. In addition, we demonstrate emission and absorption of photons in amicrowave resonator by photon-assisted tunneling in normal-metal–insulator–superconductorjunctions. Another approach for absorbing photons is to use a normal-metal resistor in asuperconducting resonator with a tunable resonance frequency. Finally, we realize a circuitconsisting of two resonators with a singularity in the parameter space, known as an exceptionalpoint. In our circuit, the exceptional point enables the fastest possible heat transfer between thetwo resonators without back and forth oscillation. In the future, these methods may find applications in different cryogenic devices, including a fastinitialization of qubits. Furthermore, the methods may be utilized in the experimental studies offundamental physics, including further investigations of exceptional points in differentconfigurations.

Piirikvanttisähködynamiikka tarjoaa monipuolisia mahdollisuuksia sekä monenlaisilleperusfysiikkaan liittyville havainnoille että erilaisille sovelluksille, kuten herkille ilmaisimille jalopulta jopa suuren mittakaavan kvanttitietokoneelle. Lämmönsäätely on erityisen tärkeää, sillätällaiset laitteet toimivat erittäin matalissa lämpötiloissa ja ylimääräinen lämpö aiheuttaamerkittävissä määrin toimintavirheitä. Väitöskirjassa tutkitaan kokeellisesti useita menetelmiä lämmönsäätelyyn. Tutkimuskohteena onsäteilyhiukkasten eli fotonien lämmönkuljetus kahden lämpökylvyn välillä sekä suprajohtavienvärähtelijöiden lämmönsiirto ympäristönsä kanssa. Erityisesti tutkitaan normaalimetallistavalmistettujen osien käyttöä suprajohtavissa mikroaaltopiireissä, jotka toimivat yksittäistenenergiakvanttien tasolla ja joiden toimintaa normaalimetalliosilla pyritään parantamaan. Aluksi väitöskirjassa tutkitaan pitkillä etäisyyksillä yksittäistä kanavaa pitkin tapahtuvaalämmönsiirtoa kvanttimekaniikan määräämällä rajalla, joka on ns. lämmönjohtavuuskvantti.Aikaisempiin tutkimuksiin verrattuna etäisyyttä on kasvatettu tekijällä 10 000. Lisäksiväitöskirjassa osoitetaan fotonien kaappaus eli absorptio ja lähettäminen eli emissio suprajohteen,eristeen ja normaalimetallin muodostamissa liitoksissa fotoniavusteisessa tunneloitumisessa.Toinen käytetty lähestymistapa fotonien absorboimiseen on normaalimetallivastuksen lisääminensuprajohtavaan värähtelijään, jolla on säädeltävä ominaistaajuus. Lopuksi on toteutettu kahdestavärähtelijästä koostuva piiri, jonka parametriavaruudessa on poikkeukselliseksi pisteeksi kutsuttusingulariteetti. Käytetyssä piirissä poikkeuksellinen piste mahdollistaa nopeimman saavutettavissaolevan lämmönsiirron kahden värähtelijän välillä ilman edestaikaista heilahtelua. Tulevaisuudessa näitä menetelmiä voidaan hyödyntää erilaisissa matalan lämpötilan sovelluksissa,kuten esimerkiksi kvanttibittien eli kubittien alustamisessa. Lisäksi menetelmiä voidaan hyödyntääperusfysiikan kokeellisessa tutkimuksessa, kuten poikkeuksellisten pisteiden tutkimisessaerilaisissa koeasetelmissa.