aalto1 untyped-item.component.html
Measurement techniques for quantum microwaves
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2026-03-13
Electronic archive copy is available via Aalto Thesis Database.
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
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
106 + app. 108
Series
Aalto University publication series Doctoral Theses, 62/2026
Abstract
Superconducting quantum circuits provide a versatile and powerful platform for quantum computing as well as for the study of fundamental physics and quantum technologies in general, such as radiation sensors. The development of novel detectors and measurement techniques is important for advancing quantum technologies by enabling detection schemes that are faster, more accurate, or less complex than the current state of the art.
In this thesis, we improve upon the existing measurement techniques in superconducting quantum circuits by employing novel methods on a radiation sensor based on superconductor–normal-metal–superconductor (SNS) junctions, in addition to superconducting quantum bits (qubits). The presented methods are experimentally demonstrated in the five publications of this thesis.
First, we demonstrate that an SNS sensor, essentially a power or a photon detector, has the capability to directly measure the variance of itinerant microwave photons. Experimentally, we show the measurement of the zero-delay second-order correlation function of interfering thermal and coherent photons displaying bunching with increasing proportion of thermal photons. We combine the signal field with a homodyne field and carry out Wigner function tomography by utilizing techniques from quantum optics.
Second, we show a new readout technique for superconducting qubits by multichannel driving which utilizes effectively longitudinal coupling of the qubit and a readout cavity. We find that applying this technique reduces the readout error by 50%, while being roughly 20% faster than the conventional dispersive readout.
We finish the thesis by displaying methods for making quantum circuits more compact. We demonstrate a rigorous process for the design of lumped-element resonators without utilizing any computer simulations. The fabricated resonators have a small physical footprint compared to that of coplanar waveguide resonators ubiquitous in superconducting circuits. We achieve an accuracy of 99% in the designed resonance frequency with a standard deviation of 1%, demonstrating the applicability of the model. The final publication demonstrates multiplexed readout of the SNS sensors, reducing the number of required control and measurement lines.
Suprajohtavat kvanttipiirit ovat monipuolinen ja tehokas alusta kvanttilaskentaan sekä kvanttifysiikan perustutkimukseen että muiden kvanttiteknologioiden, kuten säteilyilmaisinten, tutkimukseen. Uusien ilmaisimien ja mittaustekniikoiden kehittäminen on tärkeää kvanttiteknologioiden edistämisessä, sillä ne mahdollistavat nykyistä nopeammat, tarkemmat tai yksinkertaisemmat mittausjärjestelmät.
Tässä väitöskirjassa parannamme suprajohtavien kvanttipiirien mittaustekniikoita käyttämällä uudenlaisia menetelmiä suprajohde–normaalijohde–suprajohde (SNS) - liitoksiin perustuvassa säteilyilmaisimessa, suprajohtavien kvanttibittien (kubittien) lisäksi. Esitellyt menetelmät osoitetaan kokeellisesti tämän väitoskirjan viidessä julkaisussa.
Ensiksi näytämme, että SNS-sensorilla, joka on pohjimmiltaan teho- tai fotoni-ilmaisin, kyetään mittaamaan mikroaaltofotonien varianssi suoraviivaisella menetelmällä. Kokeellisesti näytämme viiveettömän toisen kertaluvun korrelaatiofunktion mittauksen interferoivilla termisillä ja koherenteilla fotoneilla. Mitattavien fotonien osoitetaan kasautuvan (engl. bunching) termisten fotonien osuuden kasvaessa. Yhdistämme signaalikentän koherentin vertailukentän kanssa ja suoritamme Wigner-funktion tomografian hyödyntäen kvanttioptiikan tekniikoita.
Toiseksi esittelemme uuden suorajohtavien kubittien lukutekniikan, jota kutsumme monikanavaohjaukseksi. Havaitsemme, että käyttämämme tekniikkan vähentää mittausoperaation virhettä 50 prosentilla, samalla kun se on noin 20 prosenttia nopeampi kuin perinteinen suprajohtavien kubittien tilan lukutapa.
Väitöskirjan lopuksi esittelemme menetelmiä, joilla kvanttipiireistä tehdään pienempiä. Esitämme täsmällisen prosessin resonanssipiirien suunnittelulle ilman tietokonesimulaatioita. Valmistetuilla resonaattoreilla on pieni fyysinen koko verrattuna suprajohtavissa piireissä yleisesti käytettäviin puoliaalto- ja neljännesaaltoresonaattoreihin. Saavutamme 99 prosentin tarkkuuden suunnitellussa resonanssitaajuudessa yhden prosentin keskihajonnalla, mikä osoittaa mallin sovellettavuuden. Viimeinen julkaisu esittelee SNS-sensoreiden yhtäaikaisen lukuoperaation, joka vähentää tarvittavien ohjaus- ja mittakaapelien lukumäärää
Description
Supervising professor
Möttönen, Mikko, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, FinlandThesis advisor
Kundu, Suman, Dr., Aalto University, Department of Applied Physics, FinlandOther note
Parts
- [Publication 1]: A. Keränen, Q. Chen, A. Gunyhó, P. Singh, J. Ma, V. Vesterinen, J. Govenius, and M. Möttönen. Correlation measurement of microwave photons at millikelvin. Nature Communications, 16, 3875, April 2025.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202505073506DOI: 10.1038/s41467-025-59230-2 View at publisher
- [Publication 2]: Q. Chen, A. Keränen, A. Sah, and M. Möttönen. Computed tomography of propagating microwave photons. Submitted to Nature Communications, July 2025.
DOI: 10.48550/arXiv.2506.20318 View at publisher
- [Publication 3]: J. Ikonen, J. Goetz, J. Ilves, A. Keränen, A. Gunyhó, M. Partanen, K. Y. Tan, D. Hazra, L. Grönberg, V. Vesterinen, S. Simbierowicz, J. Hassel, and M. Möttönen. Qubit Measurement by Multichannel Driving. Physical Review Letters, 122, 080503, February 2019.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201904022457DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.080503 View at publisher
- [Publication 4]: Q. Chen, P. Singh, R. Duda, G. Catto, A. Keränen, A. Alizadeh, T. Mörstedt, A. Sah, A. Gunyhó, W. Liu, and M. Möttönen. Compact inductor-capacitor resonators at sub-gigahertz frequencies. Physical Review Research, 5, 043126, November 2023.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202311297012DOI: 10.1103/PhysRevResearch.5.043126 View at publisher
- [Publication 5]: P. Singh, A. Gunyhó, H. Suominen, G. Catto, F. Blanchet, Q. Chen, A. Alizadeh, A. Keränen, J. Ma, T. Mörstedt, W. Liu, and M. Möttonen. Multiplexed readout of superconductor—normal-conductor–superconductor bolometers. Journal of Applied Physics, 138, 024401, July 2025.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202508045700DOI: 10.1063/5.0280536 View at publisher