Two-qubit gates in a microwave photonic quantum computer

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Perustieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Date
2015-08-25
Department
Major/Subject
Teknillinen fysiikka
Mcode
F3005
Degree programme
Teknillisen fysiikan ja matematiikan koulutusohjelma
Language
en
Pages
65 + 3
Series
Abstract
Building a scalable quantum computer is one of the greatest challenges of this century. A quantum computer should be able to execute quantum algorithms which promise great speed up in solving certain computational problems. Microwave photons in superconducting circuits offer a promising platform for quantum computing due to their long coherence times, and the ease of their generation and control. Single-qubit quantum gates are implemented with conventional microwave components. However, implementing entangling two-qubit gates for photonic qubits is considerably difficult because photons do not interact with each other naturally. In this thesis, we investigate the effective interactions between photons mediated by superconducting qubits. Especially, the nonlinear effects in the photonic states generated by these interactions are studied. Based on the analysis of the scattering properties of the system, we present a design for a nonlinear phase shifter device, which yields a photon-number-dependent phase shift in the transmitted photons. Furthermore, we show how entangling two-qubit gates can be implemented using the presented nonlinear phase shifter.

Yksi vuosisatamme suurimmista haasteista on skaalautuvan kvanttitietokoneen rakentaminen. Kvanttitietokoneen tulisi pystyä suorittamaan kvanttialgoritmeja, jotka mahdollistavat tietyille laskennallisille ongelmille klassisia vastineita huomattavasti nopeamman ratkaisemisen. Mikroaaltofotonit suprajohtavissa piireissä tarjoavat lupaavan alustan kvanttilaskennalle niiden suhteellisen pitkien koherenssiaikojen sekä niiden luomisen ja muokkaamisen helppouden vuoksi. Yksikubittiportteja on mahdollista toteuttaa käyttäen tavanomaisia mikroaaltokomponentteja. Lomittavien kaksikubittiporttien toteuttaminen on kuitenkin erityisen haastavaa, sillä fotonit eivät vuorovaikuta keskenään luonnollisesti. Tässä työssä tutkimme mikroaaltofotonien kokemaa efektiivistä vuorovaikutusta, jonka välittäjänä toimivat suprajohtavat kubitit. Tutkimme erityisesti näiden vuorovaikutusten tuottamia epälineaarisia vaikutuksia fotonisissa tiloissa. Perustuen tällaisen systeemin sirontaominaisuuksiin, esittelemme mallin epälineaariselle vaiheensiirtimelle, joka tuottaa fotonien lukumäärästä riippuvan vaiheensiirron systeemin läpäiseville fotoneille. Lisäksi näytämme kuinka tietyt lomittavat kaksikubittiportit voidaan toteuttaa käyttämällä esiteltyä epälineaarista vaiheensiirrintä.
Description
Supervisor
Kaivola, Matti
Thesis advisor
Möttönen, Mikko
Keywords
quantum computing, quantum gates, microwave photon, superconducting transmission line, nonlinear phase shifter
Other note
Citation