Enhanced elementary operations for quantum computing

Thumbnail Image

Files

isbn9789526401249.pdf (4.38 MB)
isbn9789526401249_errata.pdf (46.3 KB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Science | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2020-11-27
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

2020

Department

Teknillisen fysiikan laitos
Department of Applied Physics

Major/Subject

Mcode

Degree programme

Language

en

Pages

78 + app. 84

Series

Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 180/2020

Abstract

Superconducting circuits are one of the most promising and rapidly developing platforms for implementing quantum bits and their control operations for the purpose of large-scale quantum computing. A quantum algorithm is run by executing a series of precise operations on the quantum bits, or qubits. The most important of these operations are the quantum gates along with the measurement and initialization of the states of the qubits and auxiliary components. In this dissertation, we develop techniques to enhance each of these three operations. The work employs systems of coupled qubits and resonators in the framework of circuit quantum electrodynamics. Firstly, we derive a theoretical lower bound for the error of a single-qubit gate implemented with a linear oscillator mode and show how to reach this bound. Secondly, we experimentally demonstrate a technique for measuring the state of a qubit by simultaneously driving the qubit and the accompanying readout resonator. Compared to our method, the standard technique involving only the resonator drive yields up to 100% larger error. Moreover, we experimentally and theoretically develop quantum devices and protocols that may be used to initialize or reset auxiliary quantum circuits such as resonators. By coupling a quantum circuit to a strongly dissipative environment through a coupler, the decay rate of the circuit may be tuned on demand by several orders of magnitude. Finally, we propose a general method to analytically solve the dynamics of a complex, open bosonic system that may be used to describe, for example, the experimental systems of this dissertation. The experimental techniques developed in this dissertation may potentially be utilized in future implementations of a quantum computer, and the proposed theoretical protocols pave the way for future experiments aiming to improve qubit control and heat management in large-scale quantum processors.

Suprajohtavat kvanttipiirit ovat yksi lupaavimmista ja nopeimmin kehittyvistä alustoista, joilla voi mahdollisesti toteuttaa suuren kokoluokan kvanttilaskentaa. Kvanttilaskennassa keskeisessä asemassa ovat kvanttibitit eli kubitit sekä niillä tehtävät tarkat operaatiot, joista kvanttialgoritmit muodostuvat. Operaatioista tärkeimmät ovat loogiset kvanttiportit sekä kubittien ja muiden tarvittavien komponenttien tilojen mittaus ja alustus.Tässä väitöskirjassa kehitetään tapoja näiden kolmen operaation parantamiseksi. Työssä käsitellään kvanttielektrodynamiikkaan perustuvia, kubittien ja resonaattorien muodostamia kytkettyjä systeemejä. Ensimmäiseksi johdamme teoreettisen alarajan lineaarisella värähtelymoodilla toteutetulle yhden kubitin kvanttiportin virheelle sekä näytämme, miten alaraja on mahdollista saavuttaa. Toiseksi toteutamme kokeellisesti menetelmän, jolla voi mitata kubitin tilan ajamalla kubittia ja siihen kytkettyä lukuresonaattoria samanaikaisesti. Yleisesti käytetty mittaustapa, jossa ajetaan ainoastaan resonaattoria, tuottaa jopa 100% suuremman virheen kuin toteuttamamme menetelmä. Tämän lisäksi kehitämme kokeellisesti ja teoreettisesti kvanttilaitteita ja menetelmiä, jotka mahdollistavat laskentaa tukevien kvanttipiirien kuten resonaattorien alustamisen. Kytkemme alustettavan kvanttipiirin vahvasti dissipatiiviseen ympäristöön toisen piirin välityksellä, minkä ansiosta voimme tarvittaessa muuttaa alustettavan piirin kvanttitilan hajoamisaikaa usean kertaluokan verran. Lopuksi esitämme yleisen analyyttisen menetelmän moniosaisen ja avoimen bosonisysteemin aikakehityksen ratkaisemiseksi. Väitöskirjan kokeellisesti tutkitut systeemit ovat yksi esimerkki tällaisesta systeemistä. Väitöskirjassa kehitettyjä kokeellisia menetelmiä on tulevaisuudessa mahdollista käyttää kvanttitietokoneen prototyypeissä. Esitetyt teoreettiset tulokset tukevat tulevia kokeita, jotka tähtäävät kvanttiporttien ja lämmönhallinnan parantamiseensuuren kokoluokan kvanttiprosessoreissa.

Description

A doctoral dissertation completed for the degree of Doctor of Science (Technology) to be defended, with the permission of the Aalto University School of Science, at https://aalto.zoom.us/j/61050268671 on 27 November 2020 at noon.

Supervising professor

Möttönen, Mikko, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland

Thesis advisor

Goetz, Jan, Dr., Aalto University, Finland

Keywords

superconducting quantum circuits, quantum operations, single-qubit gate, qubit readout, quantum-circuit refrigerator, bosonic system, suprajohtavat kvanttipiirit, kvanttioperaatiot, yhden kubitin portti, kubitin lukeminen, kvanttipiirijäähdytin, bosonisysteemit

Other note

Parts

  • [Publication 1]: J. Ikonen, J. Salmilehto, M. Möttönen. Energy-efficient quantum computing. npj Quantum Information, 3, 17, April 2017.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201705114026
    DOI: 10.1038/s41534-017-0015-5 View at publisher
  • [Publication 2]: J. Ikonen, J. Goetz, J. Ilves, A. Keränen, A.M. Gunyhó, M. Partanen, K.Y. Tan, D. Hazra, L. Grönberg, V. Vesterinen, S. Simbierowicz, J. Hassel, M. Möttönen. Qubit measurement by multichannel driving. Physical Review Letters, 122, 080503, February 2019.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201904022457
    DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.080503 View at publisher
  • [Publication 3]: M. Partanen, J. Goetz, K.Y. Tan, K. Kohvakka, V. Sevriuk, R. E. Lake, R. Kokkoniemi, J. Ikonen, D. Hazra, A. Mäkinen, E. Hyyppä, L. Grönberg, V. Vesterinen, M. Silveri, M. Möttönen. Exceptional points in tunable superconducting resonators. Physical Review B, 100, 134505, October 2019.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201911076076
    DOI: 10.1103/PhysRevB.100.134505 View at publisher
  • [Publication 4]: J. Ikonen, M. Möttönen. Accelerated stabilization of coherent photon states. New Journal of Physics, 20, 103047, October 2018.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201812106214
    DOI: 10.1088/1367-2630/aae621 View at publisher
  • [Publication 5]: A. Mäkinen, J. Ikonen, M. Partanen, M. Möttönen. Reconstruction approach to quantum dynamics of bosonic systems. Physical Review A, 100, 042109, October 2019.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201911076149
    DOI: 10.1103/PhysRevA.100.042109 View at publisher

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-64-0124-9

Collections

[diss] Perustieteiden korkeakoulu / SCI