Quantum control of high overtone bulk acoustic phonons

Thumbnail Image

Files

isbn9789526400471.pdf (11.34 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Science | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2020-10-16
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

2020

Department

Teknillisen fysiikan laitos
Department of Applied Physics

Major/Subject

Mcode

Degree programme

Language

en

Pages

65 + app. 45

Series

Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 142/2020

Abstract

Mechanical resonators are harmonic oscillators which means that their energy eigenstates are linearly spaced. The highly linear response makes observing and accessing quantum features in mechanical modes difficult. However, in quantum acoustic systems, the controllable quantum properties of a superconducting qubit can be extended to mechanical resonators. Accessing the individual energy levels of the harmonic oscillator is possible through the superconducting qubit since superconducting qubits have a non-uniform energy level separation through the inclusion of Josephson junctions. This allows to benefit from the complementary functionalities of the different systems in order to create, detect, and control quantum states of mechanical motion. The quantum acoustic devices that are studied in this thesis are created by coupling a superconducting qubit to a high overtone bulk acoustic resonator (HBAR). HBAR systems are promising with their qubit-compatible microwave frequencies and long decay times. Their high mode density allows accessing multiple acoustic modes in a small form factor on-chip. The resonator forms an acoustic cavity where the acoustic waves propagate inside a solid-state material forming a standing wave. The piezoelectric properties of the resonator materials allow for actuation and readout, as well as great enhancement of the coupling strength between the qubit and the resonator. In this thesis, quantum mechanical effects in a mechanical resonator are explored down to the level of a single quantum. A new quantum bulk acoustic device design is introduced that combines a strong coupling to the mechanical resonator with a high qubit coherence. This allows to observe vacuum Rabi swaps between the qubit and an acoustic mode in order to prepare a single mechanical excitation in the resonator. Another technique uses sideband transitions that are induced by parametric modulation of the qubit energy in order to generate selective coupling to different acoustic modes inside the HBAR. The coupling strength is determined by the amplitude of the parametric modulation. This method is used to drive photon-assisted Rabi oscillations between the qubit and the selected acoustic mode. These techniques are used to increase the control of the bulk acoustic phonons, which is necessary for new technological applications that use mechanical resonators as quantum resources.

Mekaaniset värähtelijät ovat harmonisia oskillaattoreita, joten niiden ominaisenergiat ovat jakautuneet tasaisesti. Niiden lineaarisen vasteen takia kvantti-ilmiöiden havainnointi ja hyödyntäminen mekaanisissa tiloissa on vaikeaa. Kvanttiakustisissa järjestelmissä suprajohtavan kvanttibitin, eli kubitin, hallittavat kvanttitilat voidaan kuitenkin laajentaa myös mekaanisiin värähtelijöihin. Harmonisen värähtelijän yksittäisiä energiatiloja voidaan tutkia suprajohtavan kubitin avulla, sillä suprajohtavissa kubiteissa on epäharmoniset energiatilat Josephson-liitosten ansiosta. Tällöin näiden eri järjestelmien eroavat ominaisuudet täydentävät toisiaan, jolloin voidaan luoda, mitata ja hallita mekaanisen värähtelyn kvanttitiloja. Tässä työssä tutkittavat kvanttiakustiset näytteet ovat valmistettu yhdistämällä suprajohtava kubitti ylivärähtelyresonaattoriin (HBAR). HBAR-resonaattorit ovat lupaavia tutkimuskohteita, sillä ne toimivat samoilla mikroaaltotaajuuksilla kuin suprajohtavat kubitit, ja niiden värähtelytiloilla on pitkä elinaika. Niillä on korkea värähtelytilatiheys, jonka ansiosta montaa eri tilaa voidaan tutkia yhdellä näytteellä. Värähtely on rajoitettu resonaattorimateriaalin sisälle, jossa akustiset aallot etenevät muodostaen seisovan aallon. Materiaalien pietsosähköisten ominaisuuksien ansiosta värähtelyjä voidaan aktivoida ja mitata sähköisesti, sekä värähtelyjen ja mittapiirin välisen kytkennän suuruus kasvaa. Tässä väitöskirjassa tutkitaan kvanttimekaanisia ilmiöitä mekaanisessa värähtelijässä yksittäisten energiakvanttien tarkkuudella. Työssä esitellään uudentyyppinen kvanttiakustinen näyte, joka yhdistää vahvan kytkennän ja hyvän kubitin elinajan. Tämän ansiosta voidaan havainnoida tyhjiöoskillaatioita kubitin ja akustisen tilan välillä, ja valmistaa yhden mekaanisen kvantin tila värähtelijään. Vaihtoehtoinen tekniikka on käyttää sivukaistasiirtymiä, joiden avulla voidaan valita kytkentä eri akustisiin tiloihin HBAR-resonaattorissa. Kytkennän voimakkuuden määrittää sivukaista-ajon amplitudi. Tällä keinolla voidaan ajaa stimuloituja oskillaatioita kubitin ja valitun värähtelytilan välillä. Näitä tekniikoita käytetään akustisten ylivärähtelykvanttien hallintaan, mikä on välttämätöntä, jotta mekaanisia resonaattoreita voidaan käyttää kvanttiresursseina.

Description

16.10.2020 18:00 – 22:00 via Zoom https://aalto.zoom.us/j/63078213234

Supervising professor

Sillanpää, Mika, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland

Thesis advisor

Sillanpää, Mika, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland

Keywords

quantum acoustics, high overtone resonator, superconducting qubit, kvanttiakustiikka, ylivärähtelyresonaattori, suprajohtava kvanttibitti

Other note

Parts

  • [Publication 1]: Mikael Kervinen, Ilkka Rissanen, Mika Sillanpää. Interfacing planar superconducting qubits with high overtone bulk acoustic phonons. Physical Review B, 97, 205443, May 2018.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201808014318
    DOI: 10.1103/PhysRevB.97.205443 View at publisher
  • [Publication 2]: Mikael Kervinen, Jhon E. Ramírez-Muñoz, Alpo Välimaa, Mika A. Sillanpää. Landau-Zener-Stückelberg interference in a multimode electromechanical system in the quantum regime. Physical Review Letters, 123, 240401, December 2019.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202001021162
    DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.240401 View at publisher
  • [Publication 3]: Mikael Kervinen, Alpo Välimaa, Jhon E. Ramírez-Muñoz, Mika A. Sillanpää. Sideband control of a multimode quantum bulk acoustic system. Submitted to Physical Review Applied, June 2020

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-64-0047-1

Collections

[diss] Perustieteiden korkeakoulu / SCI