Control of heat in superconducting microwave circuits

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Möttönen, Mikko, Dr., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
dc.contributor.author Partanen, Matti
dc.date.accessioned 2019-03-08T10:01:07Z
dc.date.available 2019-03-08T10:01:07Z
dc.date.issued 2019
dc.identifier.isbn 978-952-60-8462-6 (electronic)
dc.identifier.isbn 978-952-60-8461-9 (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/123456789/37050
dc.description.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. en
dc.description.abstract 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. fi
dc.format.extent 78 + app. 134
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 47/2019
dc.relation.haspart [Publication 1]: M. Partanen, K.Y. Tan, J. Govenius, R.E. Lake, M.K. Mäkelä, T. Tanttu, M. Möttönen. Quantum-limited heat conduction over macroscopic distances. Nature Physics, 2016, 12, 460–464. DOI: 10.1038/nphys3642
dc.relation.haspart [Publication 2]: K.Y. Tan, M. Partanen, R.E. Lake, J. Govenius, S. Masuda, M. Möttönen. Quantum-circuit refrigerator. Nature Communications, 2017, 8, 15189. Full Text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201705315136. DOI: 10.1038/ncomms15189
dc.relation.haspart [Publication 3]: S. Masuda, K.Y. Tan, M. Partanen, R.E. Lake, J. Govenius, M. Silveri, H. Grabert, M. Möttönen. Observation of microwave absorption and emission from incoherent electron tunneling through a normal-metal–insulator–superconductor junction. Scientific Reports, 2018, 8, 1, 3966. Full Text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201804042046. DOI: 10.1038/s41598-018-21772-5
dc.relation.haspart [Publication 4]: M. Silveri, S. Masuda, V. Sevriuk, K.Y. Tan, M. Jenei, E. Hyyppä, F. Hassler, M. Partanen, J. Goetz, R.E. Lake, L. Grönberg, M. Möttönen. Broadband Lamb shift in an engineered quantum system. Accepted for publication in Nature Physics, 2019
dc.relation.haspart [Publication 5]: M. Partanen, K.Y. Tan, S. Masuda, J. Govenius, R.E. Lake, M. Jenei, L. Grönberg, J. Hassel, S. Simbierowicz, V. Vesterinen, J. Tuorila, T. Ala-Nissila, M. Möttönen. Flux-tunable heat sink for quantum electric circuits. Scientific Reports, 2018, 8, 1, 6325. Full Text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201805222553. DOI: 10.1038/s41598-018-24449-1
dc.relation.haspart [Publication 6]: M. Partanen, J. Goetz, K.Y. Tan, K. Kohvakka, V. Sevriuk, R.E. Lake, R. Kokkoniemi, J. Ikonen, D. Hazra, A. Mäkinen, E. Hyyppä, L. Grönberg, V. Vesterinen, M. Silveri, M. Möttönen. Optimized heat transfer at exceptional points in quantum circuits. Submitted 2018
dc.subject.other Physics en
dc.title Control of heat in superconducting microwave circuits en
dc.title Lämmönsäätely suprajohtavissa mikroaaltopiireissä 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 superconducting microwave circuit en
dc.subject.keyword tunnel junction en
dc.subject.keyword quantum of thermal conductance en
dc.subject.keyword photon-assisted tunneling en
dc.subject.keyword quantum-circuit refrigerator en
dc.subject.keyword heat sink en
dc.subject.keyword exceptional point en
dc.subject.keyword suprajohtava mikroaaltopiiri fi
dc.subject.keyword tunneliliitos fi
dc.subject.keyword lämmönjohtavuuskvantti fi
dc.subject.keyword fotoniavusteinen tunnelointi fi
dc.subject.keyword kvanttipiirijäähdytin fi
dc.subject.keyword lämpönielu fi
dc.subject.keyword poikkeuksellinen piste fi
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-952-60-8462-6
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.contributor.supervisor Pekola, Jukka P., Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
dc.opn Pop, Ioan, Dr., Karlsruhe Institute of Technology, Germany
dc.contributor.lab Quantum Computing and Devices en
dc.rev Guichard, Wiebke, Dr., Néel Institute - CNRS, Grenoble Alpes University, France
dc.rev Muhonen, Juha, Assoc. Prof., University of Jyväskylä, Finland
dc.date.defence 2019-03-27
local.aalto.acrisexportstatus checked 2019-05-10_2038
local.aalto.infra OtaNano - Aalto Nanofab / Micronova en


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