Microwave-coupled superconducting devices for sensing and quantum information processing
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science |
Doctoral thesis (article-based)
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Instructions for the author
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.
Author
Date
2015
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
88 + app. 60
Series
VTT Science, 96
Abstract
Superconducting circuits and devices have unique properties that make them interesting from both theoretical and practical perspective. In a superconductor cooled below its critical temperature, electrons bound in Cooper pairs have the ability to carry current without dissipation. A structure where the Cooper pairs are coherently tunneling across a weak link is called a Josephson junction (JJ). The dissipationless and non-linear character of the JJ has found applications, e.g., in microwave amplifiers and quantum circuits. These two subjects are closely related since superconducting quantum bits (qubits) are artificial atoms with a transition spectrum in the microwave range. Mediated by microwave photons, qubit readout in circuit quantum electrodynamics (cQED) architecture requires signal boosting with a low-noise preamplifier. In this thesis, a new type of ultrasensitive JJ microwave amplifier was characterized and its noise performance was found to be close to a bound set by quantum mechanics. The amplifier uses the intrinsic negative differential resistance of a current-biased JJ. This work also addressed a challenge related to the scalability of the cQED architecture when the qubits are weakly anharmonic. In a frequencycrowded multi-qubit system, driving individual qubits may cause leakage into non-computational levels of the others. Leakage-avoiding single-qubit Wah-Wah control was implemented. At maximum gate speed corresponding to the frequency crowding, microwave control of two transmon qubits on a 2D cQED quantum processor was decoherence limited. The results disclose the usefulness of Wah-Wah in a future quantum computing platform. Quasiparticles are excitations from the paired superconducting ground state of conduction electrons. As the third topic, the generation-recombination dynamics of quasiparticles was employed in sensing. In electrodynamical terms, superconducting thin films have kinetic inductance from the inertia of the Cooper pairs and resistive dissipation from the quasiparticles. If the film is a part of an electrical resonator, quasiparticle density steers its microwave eigenfrequency and quality factor. In this work, submillimetre-wave radiation and external magnetic field were first converted into quasiparticlegenerating temperature variations and screening currents in a superconductor, respectively. In the two devices called kinetic inductance bolometer and magnetometer, the corresponding changes in resonator parameters were read out to extract the encoded signal. Sensor characterization indicated potential for high sensitivity and low noise. Future applications of the bolometer and the magnetometer include security screening and biomagnetism, respectively. Here, multiplexability in frequency domain facilitates the scale-up to large sensor arrays.Suprajohtavilla piireillä ja laitteilla on ainutlaatuisia ominaisuuksia, jotka tekevät niistä kiinnostavia sekä teoreettisesta että käytännöllisestä näkökulmasta katsottuna. Suprajohteessa, joka on jäähdytetty kriittisen lämpötilansa alapuolelle, elektronit muodostavat Cooperin pareja, jotka kuljettavat sähkövirtaa häviöttömästi. Rakennetta, jossa Cooperin parit tunneloituvat koherentisti heikon linkin yli kutsutaan Josephsonin liitokseksi (Josephson junction, JJ). Liitoksen häviötöntä ja epälineaarista luonnetta on käytetty esimerkiksi mikroaaltovahvistimissa sekä kvanttipiireissä. Nämä kaksi aihealuetta ovat lähellä toisiaan, sillä suprajohtavat kvanttibitit (kubitit) ovat keinotekoisia atomeja, joiden transitiospektri on mikroaaltoalueella. Kubitin luku, jota mikroaaltofotonit välittävät, tarvitsee matalakohinaisen esivahvistuksen silloin, kun operoidaan niin kutsutussa circuit quantum electrodynamics (cQED) –arkkitehtuurissa. Tässä väitöskirjassa uudentyyppistä herkkää JJ-mikroaaltovahvistinta karakterisoitiin. Sen lisäämän kohinan todettiin olevan lähellä kvanttimekaniikan määräämää alarajaa. Vahvistin hyödyntää virtabiasoidulle liitokselle ominaista negatiivista differentiaali-resistanssia. Työssä vastattiin lisäksi haasteeseen, joka liittyy cQED-arkkitehtuurin skaalautuvuuteen, kun kubitit ovat lievästi epäharmonisia. Ahtaan taajuusvälin systeemissä yksittäisien kubittien ajaminen voi aiheuttaa vuotoa toisten kubittien energiatiloille, jotka sijaitsevat kubitti-aliavaruuden yläpuolella. Vuodon välttävä Wah-Wah -tekniikka yhden kubitin kontrollointiin toteutettiin käytännössä. Kvanttiportin maksiminopeudella, joka vastasi kokeen ahdasta taajuusväliä, mikroaaltokontrollin todettiin olevan dekoherenssin rajoittamaa. Systeeminä oli kaksi niin kutsuttua transmon-kubittia kaksiulotteisella cQEDkvanttiprosessorilla. Tulokset kertoivat Wah-Wah:in hyödyllisyydestä tulevaisuuden kvanttilaskenta-alustalla. Kvasipartikkelit ovat eksitaatioita suprajohteen johtavuuselektronien perustilalta. Työn kolmantena aihealueena oli kvasipartikkelien syntymisen ja uudelleenyhdistymisen dynamiikka anturisovelluksissa. Sähködynamiikan termejä käyttäen suprajohtavassa ohutkalvossa on kineettistä induktanssia, joka on peräisin Cooperin parien inertiasta, sekä resistiivistä häviötä kvasipartikkeleista. Jos kalvo on osana sähköistä värähtelijää, kvasipartikkelitiheys ohjaa sen mikroaaltotaajuudella olevaa ominaistaajuutta sekä hyvyyslukua. Tässä työssä alimillimetrialueen säteilyä muutettiin kvasipartikkeleita synnyttäväksi lämpötilavaihteluksi suprajohteessa, ja ulkoista magneettikenttää vastaavasti supravirraksi. Näissä kahdessa laitteessa, kutsumanimiltään kineettisen induktanssin bolometri ja magnetometri, aikaansaadut muutokset värähtelijän parametreissa luettiin hyötysignaalin erottamiseksi. Anturien karakterisaatio osoitti potentiaalia suurelle herkkyydelle sekä pienelle kohinalle. Tulevaisuuden sovelluksia bolometrille on esimerkiksi turva- ja valvontatekniikassa, ja magnetometrille biomagnetismin alalla. Tässä yhteydessä taajuusmultipleksointi helpottaa skaalaamista ylöspäin suuriin anturiryhmiin.Description
Supervising professor
van Dijken, Sebastiaan, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, FinlandHakonen, Pertti, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
Thesis advisor
Seppä, Heikki, Research Prof., VTT Technical Research Centre of Finland Ltd, FinlandHassel, Juha, Dr., VTT Technical Research Centre of Finland Ltd, Finland
Keywords
superconductivity, Josephson junction, superconducting qubit, singlequbit control, quantum-limited amplifier, kinetic inductance, submillimetre-wave detector, magnetometer, suprajohtavuus, Josephsonin liitos, suprajohtava kubitti, yhden kubitin kontrolli, kvanttirajoitteinen vahvistin, kineettinen induktanssi, alimillimetri-aallonpituusalueen ilmaisin, magnetometri
Parts
- [Publication 1]: Lähteenmäki, P., Vesterinen, V., Hassel, J., Seppä, H., Hakonen, P. J. (2012). Josephson junction microwave amplifier in self-organized noise compression mode. Sci. Rep. 2, 276. 5 pages + supplement 23 pages. http://dx.doi.org/10.1038/srep00276
- [Publication 2]: Vesterinen, V., Hassel, J., Seppä, H. (2013). Tunable Impedance Matching for Josephson Junction Reflection Amplifier. IEEE Trans. Appl. Supercond. 23, 1500140. 4 pages. http://dx.doi.org/10.1109/TASC.2012.2227653
- [Publication 3]: Timofeev, A. V., Vesterinen, V., Helistö, P., Grönberg, L., Hassel, J., Luukanen, A. (2014). Submillimeter-wave kinetic inductance bolometers on free-standing nanomembranes. Supercond. Sci. Technol. 27, 025002. 7 pages. http://dx.doi.org/10.1088/09532048/27/2/025002
- [Publication 4]: Luomahaara, J., Vesterinen, V., Grönberg, L., & Hassel, J. (2014). Kinetic Inductance Magnetometer. Nat. Commun. 5, 4872. 7 pages. http://dx.doi.org/10.1038/ncomms5872
- [Publication 5]: Vesterinen, V., Saira, O.-P., Bruno, A., & DiCarlo, L. (2014). Mitigating information leakage in a crowded spectrum of weakly anharmonic qubits. arXiv:cond-mat/1405.0450. Submitted for publication in Physical Review X. 5 pages + supplement 8 pages.
