Investigation of a parasitic two-level system in a superconducting qubit

Thumbnail Image

Files

Turunen_Santeri_2025.pdf (5.18 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Perustieteiden korkeakoulu | 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

2025-09-05

Department

Major/Subject

Quantum Technology

Mcode

SCI3103

Degree programme

Aalto Bachelor’s Programme in Science and Technology

Language

en

Pages

30+6

Series

Abstract

Superconducting qubits are the most prevalent way to design qubits due to their relatively easy manufacturing, tunability and fast gates. However, one of their major problems is the short coherence time, which is influenced by various factors, such as charge noise, flux noise and thermal noise. Several working solutions have been found to mitigate these factors. In contrast, there is no general solution to mitigating the formation of parasitic two-level systems (TLS), which is one of the most dominant causes of error in superconducting circuits. There is no general theory for parasitic TLS, as they form randomly and their physical form varies. Due to this, it is important to be able to characterize parasitic TLSs, so that information can be obtained about their formation and effects on superconducting qubits to improve qubit design. This thesis demonstrates ways to characterize parasitic TLSs in a superconducting qubit. The frequency and the coupling strength of a TLS can be extracted by simulating the spectrum of the system and comparing it to experimental data. The states of a qubit and a TLS are possible to distinguish by utilizing an iSWAP gate to be able to characterize them separately. In this thesis a sample consisting of two fixed-frequency transmon qubits and one tunable transmon coupler was used. The cryostat measurements began by characterizing the sample and calibrating control pulses. After this, data of Rabi oscillations of the system were collected, from which simulations were made and relevant values were obtained through fitting. Then, the iSWAP gate was calibrated and used to swap qubit populations to distinguish the TLS from the qubits. The frequency and the coupling strength of the TLS were obtained from the simulations. At first, the TLS was nearly resonant with the qubit, but then its frequency had moved further away. The separation done with the iSWAP succeeded, which allowed a clear distinction of the separate modes. The results showed that these methods can be utilized to characterize parasitic TLSs. Research can be improved, for example, by measuring TLS coherence times to characterize its properties more accurately.

Suprajohtavat kubitit ovat tällä hetkellä yleisin kubittien toteutustapa niiden helpon valmistuksen, muokkauksen ja nopeiden porttien ansiosta. Yksi niiden suurimmista ongelmista on kuitenkin koherenssiajan lyhyys, johon vaikuttaa moni asia, kuten varauskohina, magneettivuon kohina ja lämpökohina. Niihin on jo kuitenkin keksitty useampia toimivia ratkaisuja. Yksi eniten vaikuttavista tekijöistä, johon ei ole vielä löydetty yleisesti toimivaa ratkaisua, on parasiittisten kaksitasojärjestelmien (engl. parasitic two-level system) ilmeneminen suprajohtavissa piireissä ja kubiteissa. Niiden muodostumisesta ei ole vielä yleistä teoriaa, koska ne muodostuvat satunnaisesti ja niiden fyysinen muoto vaihtelee. Parasiittisten kaksitasojärjestelmien karakterisointi on tärkeää, jotta niiden muodostumisesta ja vaikutuksista voidaan saada lisää tietoa, mikä voi parantaa piirien suunnittelua. Tämä kandidaatintyö esittelee ja havainnollistaa tapoja, joilla parasiittisia kaksitasojärjestelmiä voi karakterisoida. Kaksitasojärjestelmän taajuus ja kytkentävahvuus kubittiin voidaan määrittää järjestelmän Hamiltonin funktiota simuloimalla ja vertaamalla sitä kokeelliseen dataan. Hyödyntämällä iSWAP-kvanttiport-tia on mahdollista saada dataa, jossa kaksitasojärjestelmän ja kubitin tilat on erotettu toisistaan, jotta niitä on helpompi karakterisoida erikseen. Työssä käytettiin näytettä, joka koostui kahdesta kiinteätaajuisesta transmon-kubitista ja yhdestä säädettävästä transmon-kytkimestä (engl. tunable transmon coupler). Kryostaatilla tehdyt mittaukset aloitettiin näytteen karakterisoinnilla ja kalibroinnilla. Tämän jälkeen kerättiin järjestelmän Rabi-värähtelyjen (engl. Rabi oscillations) dataa, josta tehtiin yhteensopivat simulaatiot, joista taas tarvittavat arvot saatiin ratkaistua. Sen jälkeen iSWAP-portti kalibroitiin ja sitä käytettiin vaihtamaan kubittien tiloja keskenään, jotta kaksitasojärjestelmän ja kubitin Rabi-värähtelyt saatiin eroteltua toisistaan. Työn simulaatioista saatiin selville kaksitasojärjestelmän kytkentävahvuus ja taajuus. Aluksi se lähes resonoi kubitin kanssa, mutta myöhemmin taajuus siirtyi kauemmaksi kubitista. iSWAP-portilla tehty erottelu myös onnistui, mikä mahdollisti kaksitasojärjestelmän, kubitin ja niiden yhteisen moodin selkeän erottelun. Tulokset osoittivat, että näitä menetelmiä voidaan käyttää kaksitasojärjestelmien karakterisointiin. Tutkimuksessa voidaan jatkossa lisätä esimerkiksi kaksitasojärjestelmän koherenssiajan mittauksia, jotta karakterisointi olisi vielä tarkempaa.

Description

Supervisor

Raasakka, Matti

Thesis advisor

Moskalenko, Ilya

Keywords

transmon, qubit, iSWAP, two-level system, TLS

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202510218389

Collections

[kand] Perustieteiden korkeakoulu / SCI