Quantum fluctuations and transport in mesoscopic physics

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Doctoral thesis (article-based)
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2007-11-30
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
46, [43]
Series
Abstract
Mesoscopic physics and nanoelectronics concentrate on systems with dimensions somewhere between atomic and everyday macroscopic scale. Modern technology enables construction of submicron nanostructures where modeling based on classical physics has proven inadequate. It is possible to design electric circuits where dynamics of single electrons and photons are controlled using state-of-the-art experimental methods. For quantitative understanding of these systems it is necessary to resort to a quantum-mechanical description. Quantum phenomena, such as tunneling and a wave-like interference of particles, are essential ingredients of physics in mesoscopic systems. Field of mesoscopic physics contains a rich variety of topics ranging from fundamental condensed matter physics to quantum information processing and possible future technological applications. This thesis presents theoretical studies of mesoscopic quantum phenomena in nanostructures and small electronic devices. We have focused on effects of environment fluctuations and investigated connections between fluctuations and transport phenomena. Decoherence in quantum bits (qubits) and quantum state engineering in superconducting circuits are also studied. The theoretical analysis in each case requires an open-system treatment. Effects of current fluctuations on quantum probe systems have been studied in detail. We have calculated transitions induced by current noise and discussed how these could be used for characterization of fluctuations. We have also shown that electric fluctuations play a key role in radiation and photon heat transport in nanostructures. Motivated by recent advances in mesoscopic electron-photon systems, we have studied a response of a coupled resonator-qubit system, squeezing of quantum fluctuations in small superconducting circuits and investigated decoherence in Josephson flux qubits.

Mesoskooppisessa fysiikassa ja nanoelektroniikassa tutkitaan rakenteita joiden kokoluokka on jossakin atomaaristen ja arkipäiväisten mittojen välimaastossa. Modernin teknologian avulla on mahdollista tuottaa alle mikrometrin kokoisia nanorakenteita, joiden mallintamisessa klassisen fysiikan lait ovat osoittautuneet riittämättömiksi. Uusimpien kokeellisten menetelmien avulla on mahdollista kontrolloida yksittäisten elektronien ja fotonien dynamiikkaa, jolloin systeemien teoreettinen mallintaminen edellyttää ilmiöiden kvanttimekaanista kuvaamista. Kvantti-ilmiöillä, kuten tunneloituminen ja hiukkasten aaltomainen interferenssi, on keskeinen asema mesoskooppisissa rakenteissa. Mesoskooppinen fysiikka kattaa laajan aihevalikoiman perusfysiikan ilmiöistä aina kvantti-informaatioteoriaan ja tulevaisuuden teknologisiin sovelluksiin. Väitöskirja koostuu mesoskooppisten kvantti-ilmiöiden ja nanoelektroniikan teoreettisesta tutkimuksesta. Erityisesti käsitellään ympäristön fluktuaatioiden vaikutusta nanoskaalan kvanttisysteemeihin ja selvitetään fluktuaatioiden yhteyksiä kuljetusteoriaan. Lisäksi tutkitaan dekoherenssia kvanttibiteissä ja kvanttievoluution kontrollointia suprajohtavissa virtapiireissä. Teoreettinen käsittely nojaa avoimien kvanttisysteemien formalismeihin. Epätasapainofluktuaatioiden aiheuttamia ympäristöilmiöitä käsitellään yleisten kvanttidetektorisysteemien tapauksessa. Virtafluktuaatioiden luonnetta karakterisoidaan tutkimalla sen indusoimia transitioita detektorisysteemissä. Virtafluktuaatiot liittyvät läheisesti myös säteilyyyn ja fotonilämmönkuljetukseen nanorakenteissa. Viimeaikaisten mesosokooppisiin elektroni-fotonistruktuureihin liittyvien kokeellisten läpimurtojen motivoimana tutkitaan kytketyn resonaattorin ja kvanttibitin dynaamista vastetta, kvanttifluktuaatioiden manipulointia suprajohtavissa piireissä ja aaltojohteissa sekä suprajohtavien vuokvanttibittien dekoherenssia soveltaen uusimpien mikroaaltomenetelmien ideoita.
Description
Keywords
mesoscopic quantum phenomena, decoherence and noise, quantum transport, mesoskooppiset kvantti-ilmiöt, dekoherenssi ja kohina, kuljetusilmiöt
Parts
  • O.-P. Saira, V. Bergholm, T. Ojanen, and M. Möttönen, Equivalent qubit dynamics under classical and quantum noise, Physical Review A 75, 012308 (2007). [article1.pdf] © 2007 American Physical Society. By permission.
  • Teemu Ojanen and Tero T. Heikkilä, Quantum transitions induced by the third cumulant of current fluctuations, Physical Review B 73, 020501(R) (2006). [article2.pdf] © 2006 American Physical Society. By permission.
  • Tero T. Heikkilä and Teemu Ojanen, Quantum detectors for the third cumulant of current fluctuations, Physical Review B 75, 035335 (2007). [article3.pdf] © 2007 American Physical Society. By permission.
  • Teemu Ojanen and Tero T. Heikkilä, State-dependent impedance of a strongly coupled oscillator-qubit system, Physical Review B 72, 054502 (2005). [article4.pdf] © 2005 American Physical Society. By permission.
  • T. Ojanen, A. O. Niskanen, Y. Nakamura, and A. A. Abdumalikov Jr., Global relaxation of superconducting qubits, Physical Review B 76, 100505(R) (2007). [article5.pdf] © 2007 American Physical Society. By permission.
  • Teemu Ojanen and Janne Salo, Possible scheme for on-chip element for squeezed microwave generation, Physical Review B 75, 184508 (2007). [article6.pdf] © 2007 American Physical Society. By permission.
  • Teemu Ojanen and Tero T. Heikkilä, Photon heat transport in low-dimensional nanostructures, Physical Review B 76, 073414 (2007). [article7.pdf] © 2007 American Physical Society. By permission.
Citation
Permanent link to this item
https://urn.fi/urn:nbn:fi:tkk-010811