Dissipation engineering of quantum-electric devices

Thumbnail Image
Files
isbn9789526415086.pdf (8.12 MB)
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2023-11-10
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
2023
Department
Teknillisen fysiikan laitos
Department of Applied Physics
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
46 + app. 54
Series
Aalto University publication series DOCTORAL THESES, 184/2023
Abstract
Superconducting quantum circuits are perhaps the leading foundation for practical quantum computers. Yet, their potential remains largely unexplored, calling for new components, such as a method for fast and accurate initialization. In this dissertation, we investigate a recently discovered quantum-circuit refrigerator (QCR) in both respects of engineering and fundamental physics. Notably, this on-chip component based on tunnel junctions provides on-demand control of dissipation, although other applications have also been developed. We develop and demonstrate a novel radio frequency operation method for the device, which allows more versatility in applications. The induced dissipation relies on high-order photon transitions that simultaneously couple the circuit to the vacuum, imparting a Lamb shift effectively dependent on the excited photon number. In a theoretical study, we streamline the QCR by simplifying its design from two junctions to a single one, addressing the slow charging dynamics which hinders the previous design. We also explore the system in the high-impedance regime, which reveals rich physics owing to strong coupling from high-order tunneling processes even at low temperatures. Finally, we investigate the QCR in a circuit-quantum-electrodynamical system by coupling a QCR-equipped resonator to a transmon qubit. Such a setting allows us to peek into the quantum state of the macroscopic resonator and study how a QCR affects it. This dissertation introduces methods for the toolbox of quantum engineering and advances the understanding of the QCR embedded in superconducting circuits. It remains of great interest to apply the QCR in quantum devices, such as for qubit reset. Furthermore, our results indicate that further research in the high-impedance regime may exhibit rich highly non-linear phenomena, which may allow novel applications such as operating the QCR using ambient thermal noise.

Suprajohtavat kvanttipiirit ovat yksi johtavista alustoista kvanttitietokoneiden toteutukselle. Niiden edut ovat kuitenkin vielä suurelta osin tutkimatta, mikä motivoi kehittämään uusia komponentteja ja menetelmiä, esimerkiksi kvanttipiirien nopeaan ja tarkkaan alustamiseen. Tässä väitöskirjassa tutkimme hiljattain keksittyä kvanttipiirijäähdytintä (QCR) sekä tekniikan että tieteen kannalta. Tämä tunneliliitoksiin perustuva ja sirulle rakennettu komponentti mahdollistaa erityisesti häviön hallinnan tarpeen mukaan, tosin myös muita sovelluksia on olemassa. Kehitämme ja demonstroimme laitteelle uudenlaisen radiotaajuisen toimintamenetelmän, joka mahdollistaa entistä monipuolisempia sovelluksia. Aiheutettu häviö perustuu korkea-asteisiin fotonisiirtymiin, jotka samanaikaisesti kytkevät piirin tyhjiöön ja aiheuttavat Lambin siirtymää. Teoreettisessa tutkimuksessa virtaviivaistamme QCR:ää yksinkertaistamalla sen suunnittelua kahdesta liitoksesta yhteen, poistaen aikaisemmasta rakenteesta johtuvaa hidasta varautumista. Tutkimme järjestelmää myös korkean impedanssin alueella, mikä mahdollistaa uusien fysiikan ilmiöiden havaitsemisen ja hyödyntämisen laitteessa johtuen korkean asteen tunnelointiprosessien aiheuttamasta kytkennästä myös alhaisissa lämpötiloissa. Lopuksi tutkimme QCR:ää piirikvanttisähködynaamisessa järjestelmässä kytkemällä QCR:llä varustetun värähtelijän transmon-kubittiin. Kyseisellä laitteella voimme kurkistaa makroskooppisen resonaattorin kvanttitilaan ja siihen, miten QCR vaikuttaa siihen. Tässä väitöskirjassa lisätään menetelmiä kvanttitekniikan työkalupakkiin ja edistetään suprajohtaviin piireihin sulautetun QCR:n ymmärtämistä. Jäähdyttimen soveltaminen kvanttilaitteissa, kuten kubittien alustamisessa, on edelleen hyvin kiinnostavaa. Lisäksi tuloksemme osoittavat, että jatkotutkimus korkean impedanssin alueella voi paljastaa epälineaarisia ilmiöitä, jotka voivat mahdollistaa uusia sovelluksia, kuten QCR:n käyttämisen ympäristön lämpökohinaa hyödyntäen.
Description
Supervising professor
Möttönen, Mikko, prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
Thesis advisor
Möttönen, Mikko, prof., Aalto University, Finland
Silveri, Matti, Dr., University of Oulu, Finland
Keywords
quantum-circuit refrigerator, tunnel junction, superconducting circuit, superconducting qubit, photon-assisted tunneling, kvanttipiirijäähdytin, tunneliliitos, suprajohtava piiri, suprajohtava kubitti, fotoniavusteinen tunnelointi
Other note
Parts
  • [Publication 1]: A. Viitanen, M. Silveri, M. Jenei, V. Sevriuk, K.Y. Tan, M. Partanen, J. Goetz, L. Grönberg, V. Vadimov, V. Lahtinen, and M. Möttönen. Photon-number-dependent effective Lamb shift. Physical Review Research, 3, 033126, August 2021.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202109159159
    DOI: 10.1103/PhysRevResearch.3.033126 View at publisher
  • [Publication 2]: V. Vadimov, A. Viitanen, T. Mörstedt, T. Ala-Nissilä, and M. Möttönen. Single-junction quantum-circuit refrigerator. AIP Advances, 12, 075005, July 2022.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202208104744
    DOI: 10.1063/5.0096849 View at publisher
  • [Publication 3]: T. Mörstedt, A. Viitanen, V. Vadimov, V. Sevriuk, M. Partanen, E. Hyyppä, G. Catelani, M. Silveri, K.Y. Tan, and M. Möttönen. Recent developments in quantum-circuit refrigeration. Annalen der Physik, 534, 7, 2100543, May 2022.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202208104494
    DOI: 10.1002/andp.202100543 View at publisher
  • [Publication 4]: A. Viitanen, T. Mörstedt, W.S. Teixeira, M. Tiiri, J. Räbinä, M. Silveri, and M. Möttönen. Quantum-circuit refrigeration of a superconducting microwave resonator well below a single quantum. Submitted to Physical Review Letters, arXiv:2308.00397, 7 pages, June 2023
Citation
Permanent link to this item
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-64-1508-6
Collections
[diss] Perustieteiden korkeakoulu / SCI