On-demand photon generation for quantum backscatter communication

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Perustieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Date
2020-10-20
Department
Major/Subject
Engineering Physics
Mcode
SCI3056
Degree programme
Master’s Programme in Engineering Physics
Language
en
Pages
36
Series
Abstract
Superconducting circuits provide a suitable platform to build quantum computers with increasing number of quantum bits (qubits). As such the sheer number of qubits, i.e., the quantum mechanical computational units in a quantum computer, cannot be used to determine the computational power of the computer. On the other hand, a large number of qubits is required to execute well-known quantum algorithms with reliable accuracy. To even dream about solving complex tasks with the state-of-the-art quantum circuits, they have to be improved in many ways to achieve a high level of accuracy. An essential part of large quantum systems is the communication between distant computational units. Establishing efficient communication channels between different parts allows building a network of established components. However, the communication has to be resistant to significant levels of background noise. Quantum backscatter communication is particularly interesting communication paradigm that fulfills this requirement. Here, a single photon is generated and divided into an entangled pair of a signal and an idler photon. The idler photon is sent directly to a receiving quantum system whereas the signal photon is scattered from an auxiliary component. The backscattering event introduces a phase shift that carries the information being sent from the backscatterer to the receiving quantum system. The utilization of quantum entanglement improves the signal-to-noise ratio compared with the classical backscatter paradigm. In this thesis, we study a method to generate single signal photons conditioned on a quantum state of a superconducting qubit, which is a prerequisite for quantum backscattering communication. This process involves exciting the quantum bit to its second excited state and driving it with an appropriate pulse frequency such that the qubit evolves back to the ground state of the system while simultaneously generating a single photon. We find that with our current measurement setup, the signal photon is generated with a success rate of 70%. As our research group’s first trial for this type of measurement, the results show great promise for future work with the quantum backscatter project.

Suprajohtavat virtapiirit ovat sovelias alusta yhä suuremmille kvanttitietokoneille. Itsessään kvanttibittien eli kvanttimekaanisten laskennallisten yksiköiden lukumäärää ei voida käyttää kvanttikoneen laskennallisen tehon määrittämiseen. Toisaalta, hyvin tunnettujen kvanttialgoritmien suorittamiseen luotettavalla tarkkuudella tarvitaan suuri määrä kvanttibittejä. Jotta monimutkaisten ongelmien ratkaisemisesta voidaan edes haaveilla uusinta tekniikka olevilla kvanttipiireillä, niitä tulee parantaa monin eri tavoin korkean tarkkuustason saavuttamiseksi. Olennainen osa suurten kvanttijärjestelmien toiminnassa on eri laskennallisten yksiköiden välinen viestintä. Tehokkaan viestintäkanavan toteuttaminen järjestelmän eri osien välille mahdollistaa komponenttien välisen verkon rakentamisen. Viestinnän ei tule kuitenkaan häiriintyä huomattavasta määrästä taustakohinaa. Kvanttitakaisinsironta on erityisen kiinnostava viestintämalli, joka täyttää tämän kriteerin. Kvanttitakaisinsironnassa luodaan yksittäinen fotoni, joka jaetaan signaali- ja apufotonin muodostamaksi kvanttikytkeytyneeksi fotonipariksi. Apufotoni lähetetään suoraan vastaanottajalle, kun taas viestifotoni lähetetään takaisinsiroavan komponentin kautta. Takaisinsironta aiheuttaa viestifotoniin vaihesiirron, johon takaisinsiroajalta vastaanottajalle lähetettävä informaatio on koodattu. Kvanttikytkentää hyödyntämällä signaali-kohinasuhde paranee verrattuna klassiseen takaisinsirontaviestintään. Tässä diplomityössä tutkitaan menetelmää luoda yksittäisiä kubitin kvanttitilalla ehdollistettuja signaalifotoneita, mikä on edellytys kvanttitakaisinsironnalle. Tutkitussa menetelmässä kubitti viritetään sen toiselle viritystilalle ja kubitti ajetaan takaisin perustilaan siten, että yhtäaikaisesti luodaan yksi fotoni. Tutkimustuloksemme osoittavat, että nykyisellä mittausasetelmalla fotonien luomisen onnistumistodennäköisyys on 70%. Tutkimusryhmämme ensimmäisenä kokeena tämän projektin parissa tulokset osoittavat lupaavaa jatkoa tuleville kvanttisirontaan liittyville kokeille.
Description
Supervisor
Möttönen, Mikko
Thesis advisor
Ikonen, Joni
Keywords
superconducting quantum circuits, photon generation, quantum backscatter communication, superconducting transmission line resonators
Other note
Citation