Simulations of Superconducting Qubits Under a Subharmonic Drive
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Perustieteiden korkeakoulu |
Master'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
2023-10-10
Department
Major/Subject
Materials Physics and Quantum Technology
Mcode
SCI3107
Degree programme
Master’s Programme in Engineering Physics
Language
en
Pages
62
Series
Abstract
Driving qubits with resonant microwave fields has proven to be an effective technique for controlling qubits and is, therefore, the current industry standard. Although the technique can produce impressive fidelities for quantum gate operations, it is not without faults. Noise at the resonant frequency that is present in the qubit’s environment effectively destroys the delicate quantum information contained in the qubit. In principle this noise can be filtered out but it also renders resonant driving useless. This issue can be circumvented with a recently developed alternative method in which the qubit is driven at around an integer fraction of its resonant frequency, namely the 1/3-subharmonic. Effectively, this enables the filtering of noise around the resonant frequency while still allowing the driving field to propagate to the qubit unimpeded. The validity of this technique has been demonstrated experimentally. In this thesis we explore this novel method for qubit control in a computational setting. We perform general simulations on qubits under subharmonic driving in order to investigate the behavior of the system and to compare the dynamics to corresponding analytical predictions. We find that the analytically derived properties, which are based on several approximations, align well with results obtained from simulations of the full unapproximated Hamiltonian. However, our main objective is to examine the fidelity of subharmonic gate operations and to compare it to its resonant counterpart. To that end, we introduced amplitude-phase fluctuations to the classically treated drive field so as to imitate the inherent uncertainties in coherent sates of light. We found that for fields of this nature, subharmonic driving provided no improvement in the scaling of fidelity. Moreover, we investigated the effects of vacuum noise in the transmission line through which the drive field propagates. Under these conditions, the arguably simple simulations reveal that subharmonic driving improves the fidelity of gate operations even at reasonably small field amplitudes. For extreme coupling strengths, noise at the 1/3-subharmonic takes effect and the state of the qubit decoheres.Resonerande mikrovågsfält has visat sig vara en effektiv metod för kontroll av kubitar och är därför den nuvarande industristandarden. Även om metoden kan producera imponerande noggranheter för kvantportar är den inte utan fel. Brus vid resonansfrekvensen som finns i kubitens miljö förstör den känsliga kvanttinformationen som kubiten innehåller. I princip kan detta brus filtreras bort men detta gör kontrollering av kubiten med resonerande fält oanvändbart. Detta problem kan kringgås med en nyligen utvecklad alternativ metod där kubiten kontrolleras med en heltalsbråkdel av dess resonansfrekvens; mer specifikt med 1/3-undertonen. Detta möjliggör filtrering av brus runt resonansfrekvensen samtidigt som 1/3-undertonsfältet tillåts växelverka med kubiten obehindrat. Giltigheten av denna metod har bevisats experimentellt. I denna avhandling utforskar vi denna nya metod för kontrollering av kubitar med hjälp av simluationer. Vi utför allmänna simuleringar där kubitar kontrolleras med underharmoniskt oscillerande fält för att undersöka systemets beteende och för att jämföra dynamiken med motsvarande analytiska förutsägelser. Vi finner att de analytiskt härledda egenskaperna, som är baserade på flera approximationer, överensstämmer väl med resultat erhållna från simulationer av den fullständiga oapproximerade Hamiltonoperatorn. Vårt huvudmål är dock att undersöka noggranheten av underharmoniska portoperationer och att jämföra den med dess resonanta motsvarighet. För detta ändamål introducerade vi amplitud- och fasfluktuationer till det klassiskt behandlade kontrollfältet för att imitera de fundamentala osäkerheterna i koherenta ljustillstånd. Vi fann att för fluktuerande fält gav underharmonisk kontroll ingen förbättring i hur noggranheten av kvantportar skalas. Dessutom undersökte vi effekterna av vakuumbrus i överföringsledningen genom vilken kontrolfältet passerar. Under dessa förhållanden avslöjar våra enkla simuleringar att underharmonisk kontroll förbättrar noggranheten av kvantportoperationer även vid relativt små fältamplituder. För extrema kopplingsstyrkor träder brus vid 1/3-undertonen i kraft och qubitens tillstånd dekohereras.Description
Supervisor
Möttönen, MikkoThesis advisor
Sah, AashishKeywords
superconducting qubits, quantum driving, subharmonic driving, quantum gate fidelity, quantum noise