Numerical simulation of Kerr parametric Heisenberg Langevin equations for quantum sensing applications

No Thumbnail Available

Files

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Perustieteiden korkeakoulu | Bachelor's thesis
Electronic archive copy is available locally at the Harald Herlin Learning Centre. The staff of Aalto University has access to the electronic bachelor's theses by logging into Aaltodoc with their personal Aalto user ID. Read more about the availability of the bachelor's theses.
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

2023-06-10

Department

Major/Subject

Teknillinen fysiikka

Mcode

SCI3028

Degree programme

Teknistieteellinen kandidaattiohjelma

Language

en

Pages

38

Series

Abstract

A quantum sensor is a tool designed to detect changes in the properties of a quantum system. The field of developing quantum sensors has existed for some time, and its relevance is rising along with other quantum technologies. A specific use case for quantum sensors is photon counting, where a detector should reliably measure the electric field so precisely that even a one photon excitation can be registered. A pioneering way of accomplishing single photon detection is to use a Josephson Parametric Amplifier (JPA). This thesis explores the process of formulating numerical simulations which correspond to the behaviour of a physical JPA device. The aim is to recreate physical systems numerically as accurately as possible in order to verify and expand the results gained from physical systems. Additionally the simulations work to verify the accuracy of the analytical models used to build them. An analytical model of a JPA is introduced and a derivation of the equations of motion of the system is followed. These equations of motion are solved numerically, and the results are compared to analytical models and experimental findings. The results gained from the simulations closely resemble experimental findings and the predictions of analytical models. The numerical JPA achieves quadrature squeezing with a strength of 3.80dB. The numerical model also reaches maximum efficiencies as high as the analytical model. Therefore the previously derived equations of motion verifiably describe the system within the JPA. The correspondence to the used analytical models, the Kramer’s approximation, to the numerical results is also high, which gives legitimacy to their robustness and validity. The numerical results mostly mirror the experimental results of the physical JPA device, which was the used as the basis for creating the simulations. Additional work is needed to explain the reason for missing superposition states, which are currently not seen in the simulations.

Kvanttianturit ovat anturiteknologian haara, jossa anturin ilmaisumenetelmä perustuu systeemin kvanttimekaanisten ominaisuuksien havaitsemiseen. Kvanttiantureiden tutkimusta ja kehitystä on harjoitettu jo jonkin aikaa, mutta niiden tärkeys kasvaa samalla muun kvanttitenkologian yleistyessä. Eräs keskeinen kvanttianturin käyttökohde on fotonilaskennassa. Tähän käytetyn anturin tulee pystyä mittaamaan sähkömagneettisen kentän vaihtelut niin tarkasti, että yksittäinen fotoni voitaisi todennettavasti havaita. Lupaava tapa saavuttaa fotonilaskennan vaadittu tarkkuus on käyttää JPA-laitetta (Josephson Parametric Amplifier). Tämä kandidaatintyö tutkii fyysisen JPA:n simuloimista numeerisesti. Työn päämääränä on luoda riittävän todenmukainen simulaatioympäristö, jonka avulla voisi todentaa kokeellisia tuloksia ja tehdä ennusteita laitteen toiminnasta. Kokeellisten tulosten todentamisen lisäksi onnistunut simulaatio vahvistaa käytettyjen teoreettisten mallien todenmukaisuuden. JPA:n analyyttinen malli esitellään ja siitä johdetaan systeemin liikeyhtälöt numeerista mallintamista varten. Saadut liikeyhtälöt voidaan ratkaista numeerisia työkaluja käyttäen ja saatuja tuloksia verrataan kokeellisiin tuloksiin ja analyyttisten mallien ennustuksiin. Työssä huomataan, että simulaatioiden tuottamat tulokset sopivat yhteen kokeellisen ja teoreettisen kuvan kanssa. Numeerinen JPA saavuttaa 3.80 desibelin kvadratuurivaimennuksen, joka on suuruudeltaan verrattava fyysisiin tuloksiin. Mitattu yksittäisen fotonin havaitsemishyötysuhde nousee analyyttisen mallin ennustamien maksimiarvojen tasolle. Voidaan todeta että käytetty lähestymistapa numeeriseen mallintamiseen siis toimii, ja että teoreettisen mallin ja kokeellisten havaintojen välillä on voimakas yhteys. Saadut tulokset ovat verrattavia fyysisen JPA-laitteen tuloksiin, jonka pohjalta simulaatio rakennettiin. Vaikka tulokset ovat suurilta osin yhdenpitäviä fyysisten laitteiden kanssa, lisätutkimusta simulaation toimintaan vaaditaan. Numeerinen simulaatio ei kyennyt tuottamaan fyysisissä laitteissa nähtyjä superpositiotiloja, joissa havaitaan usean tilan samanaikainen olemassaolo.

Description

Supervisor

Paraoanu, Gheorghe-Sorin

Thesis advisor

Petrovnin, Kirill

Keywords

quantum technology, quantum sensing, single photon detector, Heisenberg-Langevin equation, Josephson parametric amplifier

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202408135415

Collections

[kand] Perustieteiden korkeakoulu / SCI