Thermal detectors for superconducting quantum computers
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2025-05-30
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
99 + app. 168
Series
Aalto University publication series Doctoral Theses, 97/2025
Abstract
Superconducting quantum circuits are an incredibly flexible platform for studying both fundamental physics and quantum technology. In the seven publications presented in this thesis, we carry out experiments related to two application areas of superconducting circuits: quantum computing and ultrasensitive radiation sensors. Firstly, quantum computing using superconducting circuits is one of the leading approaches for realizing a large-scale error-corrected quantum computer. However, there is still a need of significant development of fundamental components and operations before quantum computers are practically useful. We present two publications that advance the state of quantum computing. In the first publication, we introduce the unimon, which is a novel kind of superconducting quantum bit (qubit) with several advantageous properties compared to other commonly used qubit types. In the second publication, we demonstrate reading out the state of a qubit using a socalled effectively longitudinal coupling, which we find to reduce error up to 50% compared to conventional dispersive readout. Secondly, by utilizing unique properties of superconducting circuits, it is possible to detect electromagnetic radiation with unprecedented sensitivity, approaching the single-microwave-photon level. In two publications, we study the sensitivity limits of a radiation sensor based on superconductor–normal-metal–superconductor (SNS) junctions. We find record-low values for two common figures of merit—a noise equivalent power of 2 × 10⁻²⁰ W/√Hz and an energy resolution of 0.95 × 10⁻²¹ J ≈ 5.9 meV. Furthermore, we demonstrate the applicability of the sensor for fundamental physics by observing the photon statistics of itinerant microwave photons. Finally, we combine these two topics by employing an SNS sensor for qubit readout, which has not been feasible previously. We find a readout fidelity of 61.8%, and present clear steps towards achieving a state-of-the-art value of 99.9%. Finally, we discuss how qubit readout using the SNS sensor may be advantageous in a largescale quantum processor, and take a first step towards this goal by demonstrating the multiplexed operation of three SNS sensors. The results of this thesis present steps forward in quantum computers based on superconducting circuits, as well as advances of SNS sensors towards applications such as cosmology and microwave quantum optics. Quantum processors utilizing SNS sensors may enable scalability that brings us closer to practically useful quantum computers.Suprajohtavat kvanttivirtapiirit ovat monipuolinen alusta sekä kvanttifysiikan perustutkimukselle että kvanttiteknologialle. Tässä väitöskirjassa esitellään seitsemän julkaisua, joissa keskitytään kvanttipiirien sovelluksiin kvanttilaskennassa ja säteilyn havainnoinnissa. Ensimmäinen aihe on suprajohtaviin piireihin perustuva kvanttilaskenta. Kvanttipiirit ovat lupaava alusta kvanttitietokoneen toteuttamiselle, mutta keskeisiä komponentteja ja operaatioita tulee vielä kehittää merkittävästi, jotta kvanttitietokoneesta olisi käytännön hyötyä. Esitämme kaksi edistysaskelta kvanttilaskennan saralla. Ensimmäisessä julkaisussa esittelemme uudenlaisen suprajohtavan kvanttibitin eli kubitin. Tällä unimon-nimisellä kubittityypillä on useita ominaisuuksia, jotka tekevät siitä houkuttelevan vaihtoehdon nykyään yleisesti käytössä oleville kubiteille. Toisessa julkaisussa toteutamme menetelmän mitata kubitin tila, joka pienentää mittausvirhettä jopa 50 %. Toinen sovellus, jota tässä väitöskirjassa käsitellään, on ultraherkät sähkömagneettisen säteilyn ilmaisimet. Suprajohtavien piirien avulla on mahdollista toteuttaa säteilyilmaisimia, joiden herkkyys riittää jo lähes yksittäisten mikroaaltofotonien havaitsemiseen. Tutkimme, kuinka suuri herkkyys on mahdollista saavuttaa suprajohde–normaalijohde–suprajohde (SNS) -liitoksiin perustuvalla säteilyilmaisimella. Laskemme nk. kohinaa vastaavan tehon arvoksi 2 × 10⁻²⁰ W/√Hz, ja energiaresoluutioksi 0.95 × 10⁻²¹ J ≈ 5.9 meV. Nämä yleisessä käytössä olevat vertailuluvut ovat ennätyksellisen matalia. Lisäksi esittelemme SNS-ilmaisimen sovellusta fysiikan perustutkimukseen havaitsemalla mikroaaltofotonien tilastollisia ominaisuuksia. Väitöskirjan viimeisessä osiossa yllä mainitut kaksi aihetta yhdistetään, kun toteutamme kubitin tilan mittaamisen käyttäen SNS-säteilyilmaisinta, joka ei ole aiemmin ollut mahdollista. Saavutamme 61.8 %:n mittaustarkkuuden, ja esitämme, kuinka tekemällä suoraviivaisia muutoksia koejärjestelyyn on mahdollista saavuttaa 99.9 %:n tarkkuus, joka vastaa alan huipputasoa. Analysoimme myös, kuinka SNS-ilmaisimeen perustuvaa kubitin mittausta voisi soveltaa suuren mittakaavan kvanttiprosessoreissa, ja otamme ensiaskeleen tätä tavoitetta kohti toteuttamalla samanaikainen mittaus kolmella SNS-ilmaisimella. Tässä väitöskirjassa esitellyt kokeet edustavat edistysaskeleita kohti suurikokoisia kvanttiprosessoreita, sekä suprajohtavien SNS-liitosten kehitystä kohti sovelluksia mm. tähtitieteessä ja mikroaaltojen kvanttioptiikassa. SNS-ilmaisimien käyttö kvanttiprosessorissa saattaa mahdollistaa skaalautuvuuden, jota vaaditaan käytännössä sovellettaviin kvanttitietokoneisiin.Description
Supervising professor
Möttönen, Mikko, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, FinlandThesis advisor
Kundu, Suman, Dr., Aalto University, Department of Applied Physics, FinlandOther note
Parts
-
[Publication 1]: E. Hyyppä, S. Kundu, C. F. Chan, A. Gunyhó, J. Hotari, D. Janzso, K. Juliusson, O. Kiuru, J. Kotilahti, A. Landra, W. Liu, F. Marxer, A. Mäkinen, J.-L. Orgiazzi, M. Palma, M. Savytskyi, F. Tosto, J. Tuorila, V. Vadimov, T. Li, C. Ockeloen-Korppi, J. Heinsoo, K. Y. Tan, J. Hassel, and M. Möttönen. Unimon qubit. Nature Communications, 13, 6895, November 2022.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202211306725DOI: 10.1038/s41467-022-34614-w View at publisher
-
[Publication 2]: J. Ikonen, J. Goetz, J. Ilves, A. Keränen, A. Gunyhó, M. Partanen, K. Y. Tan, D. Hazra, L. Grönberg, V. Vesterinen, S. Simbierowicz, J. Hassel, and M. Möttönen. Qubit Measurement by Multichannel Driving. Physical Review Letters, 122, 080503, February 2019.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201904022457DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.080503 View at publisher
-
[Publication 3]: R. Kokkoniemi, J. Govenius, V. Vesterinen, R. Lake, A. Gunyhó, K. Tan, S. Simbierowicz, L. Grönberg, J. Lehtinen, M. Prunnila, J. Hassel, A. Lamminen, O.-P. Saira, and M. Möttönen. Nanobolometer with ultralow noise equivalent power. Communications Physics, 2, 124, October 2019.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201911076065DOI: 10.1038/s42005-019-0225-6 View at publisher
- [Publication 4]: A. Gunyhó, K. Kohvakka, Q. Chen, J.-P. Girard, R. Kokkoniemi, W. Liu, and M. Möttönen. Zeptojoule Calorimetry. Submitted to Nature Electronics, December 2024.
-
[Publication 5]: A. Keränen, Q. Chen, A. Gunyhó, P. Singh, J. Ma, V. Vesterinen, J. Govenius, and M. Möttönen. Correlation measurement of microwave photons at millikelvin. Nature Communications, 16, 3875, April 2025.
DOI: 10.1038/s41467-025-59230-2 View at publisher
-
[Publication 6]: A. Gunyhó, S. Kundu, J. Ma, W. Liu, S. Niemelä, G. Catto, V. Vadimov, V. Vesterinen, P. Singh, Q. Chen, and M. Möttönen. Single-shot readout of a superconducting qubit using a thermal detector. Nature Electronics, 7, 288–298, April 2024.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202404113052DOI: 10.1038/s41928-024-01147-7 View at publisher
- [Publication 7]: P. Singh, A. Gunyhó, H. Suominen, G. Catto, F. Blanchet, Q. Chen, A. Alizadeh, A. Keränen, J. Ma, T. Mörstedt, W. Liu, and M. Möttonen. Multiplexed readout of superconductor–normal-conductor–superconductor bolometers. Submitted to Physical Review Research, March 2025.