Bolometric measurement of phase modulated photons

Thumbnail Image

Files

bachelor_Lukkari_Santtu_2025.pdf (2.46 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Science | Bachelor's thesis
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

2025-12-02

Department

Major/Subject

Engineering Physics

Mcode

Degree programme

Bachelor's Programme in Science and Technology
Teknistieteellinen kandidaattiohjelma
Kandidatprogram i teknikvetenskap

Language

en

Pages

25

Series

Abstract

Propagating microwave photons have gained great interest due to their potential being used in the applications of the quantum technology, such as communication and sensing. The use of propagating microwave photons as information carriers requires methodology that is able to characterize the incoming photon signals. Since the signal could consist of only a few photons, the signal detection is truly a challenging task. Amplifying a weak microwave signal to room temperature would cause excessive noise and cover the signal. Previously, amplification-free signals have been measured with qubit-based photon detection, which relies on excitation of the qubit. This method is limited by a narrow bandwidth, since the qubit can absorb only a few discrete energies. However, a bolometer utilizing resistive absorption of the photons offers a broad bandwidth and enables the measurement without amplification. This thesis examines the use of bolometer as a phase and amplitude sensitive detector for propagating microwave signals. The phase sensitivity of the bolometer is enabled by homodyne detection, where the measurement signal is combined with a strong local oscillator signal. The combining of these signals is implemented with a beam splitter. Amplitude sensitivity is studied by repeating the measurement with multiple signal powers, and phase sensitivity is studied using a phase modulated measurement signal with different modulation amplitudes. The data is extracted from the bolometer by assuming a linear dependency between the average resonance frequency and the average photon number. Similarly, a linear dependency is assumed between the variances. This thesis demonstrates that the bolometer is able to detect changes in the measurement signal power and phase by measuring the average photon number and variance. The average photon number and variance oscillate, meaning that the phase modulation is detected. The oscillation amplitudes increase as a function of power indicating the amplitude sensitivity. A strong local oscillator signal allows the detection of weak signals without amplification, and thus the measurement can be conducted with minimal added noise. These results together show, that the bolometer is a versatile microwave detector and a promising candidate for quantum technology applications in the microwave region.

Etenevät mikroaaltofotonit ovat herättäneet kiinnostusta johtuen niiden potentiaalisista käyttökohteista kvanttimekaniikassa, kuten kvanttiviestinnässä ja -anturoinnissa (engl. quantum sensing). Etenevien mikroaaltofotoneiden käyttö informaation kuljettajina kuitenkin vaatii mittauslaitteiston, jolla voidaan purkaa saapuviin fotonisignaaleihin koodattu informaatio. Mikroaaltofotoneiden pieni energia tekee mittauksesta haastavan, koska tarvittavat signaalit voisivat koostua vain muutamista fotoneista. Signaalin suuri vahvistaminen aiheuttaisi kohinan liiallisen kasvun. Mikroaaltofotoneita on aikaisemmin mitattu kubitteihin perustuvilla ilmaisimilla, joissa kubitti virittyy absorboidessaan fotonin. Tätä metodia kuitenkin rajoittaa kubitin diskreetit energiatilat, minkä seurauksena fotoneja voidaan absorboida vain hyvin kapealla kaistanleveydellä. Resistiiviseen fotoneiden absorboimiseen perustuva bolometri mahdollistaa fotoneiden mittaamisen suurella kaistanleveydellä. Tässä kandidaatintyössä tutkitiin bolometrin käyttöä mikroaaltofotoneiden mittaamisessa ilman signaalin vahvistamista. Työssä tutkitiin bolometrin herkkyyttä saapuvan signaalin vaiheelle ja amplitudille. Bolometrin vaiheherkkyys mahdollistettiin homodyynimittauksella (engl. homodyne measurement), jossa mitattavaan signaaliin yhdistettiin säteenjakajalla vahva paikallisoskillaattorisignaali. Amplitudiherkkyyttä tutkittiin toistamalla mittaus usealla eri mittaussignaalin teholla. Bolometrin resonanssitaajuuden keskiarvon ja keskimääräisen fotoniluvun välillä oletettiin olevan lineaarinen suhde. Työssä havaittiin, että bolometrin resonanssitaajuuden keskiarvo ja varianssi oskilloivat periodisesti. Koska kaikki muut parametrit pidettiin mittauksen aikana vakioina, oskillaatiot johtuivat mittaussignaalin vaiheen muuttumisesta. Suuremmilla mittaussignaalin tehoilla huomattiin oskillaatioiden amplitudin nousu, mikä kertoo bolometrin kyvystä havaita mittaussignaalin amplitudin muutokset. On mahdollista, että riippuvuus resonanssitaajuuden ja fotoniluvun välillä ei olisi aivan lineaarinen, mutta malli oli kuitenkin tarpeeksi hyvä, jotta mittaustuloksista voitiin havaita bolometrin herkkyys signaalin amplitudille ja vaiheelle. Nämä ominaisuudet yhdistettynä bolometrin kykyyn mitata vahvistamatonta signaalia tekevät siitä lupaavan ehdokkaan kvanttimekaniikan mikroaaltosovelluksiin.

Description

Supervisor

Möttönen, Mikko

Thesis advisor

Chen, Qiming

Keywords

bolometri, homodyynimittaus, mikroaaltofotoni, bolometer, homodyne detection, microwave photon

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202512129079

Collections

[kand] Perustieteiden korkeakoulu / SCI