Quantum-circuit refrigeration by noise

Abstract

Superconducting quantum computers have emerged as a popular field of research during the recent years, showing rapid improvement in qubit quality and scalability. As the number of qubits on a quantum processor increases, more attention needs to be focused on fast and accurate qubit initialization and reasonable power consumption of the quantum circuits. To address these challenges, the ability of a quantum-circuit refrigerator to initialize a qubit by providing local cooling to its environment can be combined with energy harvested from thermal activation.

The operation of this kind of a Brownian quantum-circuit refrigerator is based on absorption of photons from the refrigerated component promoting photon-assisted tunneling events through a normal-metal–insulator–superconductor tunnel junction. Since the activation energy of tunneling is typically large compared to the energy of photons originating from the component, the remaining energy needed for tunneling is provided by the photons arising from thermal voltage fluctuations in the circuit. Thus, the Brownian refrigerator can harness redundant thermal fluctuations for practical use to cool these components by lowering their photon occupation.

This thesis investigates the effect of a noise-driven quantum-circuit refrigerator on the coherent and thermal states of a coupled resonator. By exploiting a transmon qubit as a dispersive probe, we experimentally demonstrate the suppression of the mean photon number and equivalent temperature of the resonator owing to the activation of photon-assisted tunneling by artificial noise. Based on these results, the utilization of noise from a true thermal source arises as a natural step.

Suprajohtava kvanttitietokone on noussut suosituksi tutkimusalaksi viime vuosien aikana, osoittaen nopeaa kehitystä kubittien laadussa ja skaalautuvuudessa. Kvanttiprosessorien kubittimäärän kasvaessa on kohdennettava enemmän huomiota kubittien nopeaan ja tarkkaan alustamiseen sekä kvanttipiirien kohtuulliseen tehonkulutukseen. Näihin haasteisiin voidaan mahdollisesti vastata yhdistämällä kvanttipiirijäähdyttimen kyky alustaa kubitti jäähdyttämällä lokaalia ympäristöään ja termisestä alkuperästä juontuva aktivoituminen.

Tällaisen Brownin kvanttipiirijäähdyttimen toiminta perustuu fotonien absorboitumiseen jäähdytettävästä komponentista fotoniavusteisessa tunneloitumisprosessissa normaalimetalli–eriste–suprajohdetunneliliitoksen läpi. Tunneloitumisen aktivoimiseen vaadittavan energian ollessa tyypillisesti suuri verrattuna komponentista peräisin olevien fotonien energiaan tarvittava jäljelle jäävä energia saadaan fotoneista, jotka syntyvät virtapiirin termisestä jännitekohinasta. Näin Brownin jäähdytin kykenee valjastamaan hukkalämmön hyötykäyttöön näiden komponenttien jäähdyttämiseen alentamalla niiden fotonimiehitystä.

Tämä diplomityö tarkastelee kohinalla ajetun kvanttipiirijäähdyttimen vaikutusta siihen kytkeytyneen resonaattorin koherentteihin ja termisiin tiloihin. Käyttämällä hyödyksi transmonkubittia dispersiivistä siirtymää hyödyntävänä ilmaisimena osoitamme kokeellisten tulosten kautta resonaattorin keskimääräisen fotoniluvun ja ekvivalenttilämpötilan pienentymisen keinotekoisen kohinan aktivoidessa fotoniavusteisen tunneloitumisen. Näiden tulosten perusteella aitoon lämpöliikkeeseen perustuvan kohinalähteen hyödyntäminen toimii luonnollisesti seuraavana askeleena.