Microwave-coupled superconducting devices for sensing and quantum information processing

Julkaisun otsikon käännös: Mikroaalloille sovitettuja suprajohtavia laitteita anturisovelluksiin sekä kvantti-informaation käsittelyyn

Visa Vesterinen

Tutkimustuotos: Doctoral ThesisCollection of Articles

Abstrakti

Suprajohtavilla piireillä ja laitteilla on ainutlaatuisia ominaisuuksia, jotka tekevät niistä kiinnostavia sekä teoreettisesta että käytännöllisestä näkökulmasta katsottuna. Suprajohteessa, joka on jäähdytetty kriittisen lämpötilansa alapuolelle, elektronit muodostavat Cooperin pareja, jotka kuljettavat sähkövirtaa häviöttömästi. Rakennetta, jossa Cooperin parit tunneloituvat koherentisti heikon linkin yli kutsutaan Josephsonin liitokseksi (Josephson junction, JJ). Liitoksen häviötöntä ja epälineaarista luonnetta on käytetty esimerkiksi mikroaaltovahvistimissa sekä kvanttipiireissä. Nämä kaksi aihealuetta ovat lähellä toisiaan, sillä suprajohtavat kvanttibitit (kubitit) ovat keinotekoisia atomeja, joiden transitiospektri on mikroaaltoalueella. Kubitin luku, jota mikroaaltofotonit välittävät, tarvitsee matalakohinaisen esivahvistuksen silloin, kun operoidaan niin kutsutussa circuit quantum electrodynamics (cQED) –arkkitehtuurissa. Tässä väitöskirjassa uudentyyppistä herkkää JJ-mikroaaltovahvistinta karakterisoitiin. Sen lisäämän kohinan todettiin olevan lähellä kvanttimekaniikan määräämää alarajaa. Vahvistin hyödyntää virtabiasoidulle liitokselle ominaista negatiivista differentiaali-resistanssia. Työssä vastattiin lisäksi haasteeseen, joka liittyy cQED-arkkitehtuurin skaalautuvuuteen, kun kubitit ovat lievästi epäharmonisia. Ahtaan taajuusvälin systeemissä yksittäisien kubittien ajaminen voi aiheuttaa vuotoa toisten kubittien energiatiloille, jotka sijaitsevat kubitti-aliavaruuden yläpuolella. Vuodon välttävä Wah-Wah -tekniikka yhden kubitin kontrollointiin toteutettiin käytännössä. Kvanttiportin maksiminopeudella, joka vastasi kokeen ahdasta taajuusväliä, mikroaaltokontrollin todettiin olevan dekoherenssin rajoittamaa. Systeeminä oli kaksi niin kutsuttua transmon-kubittia kaksiulotteisella cQEDkvanttiprosessorilla. Tulokset kertoivat Wah-Wah:in hyödyllisyydestä tulevaisuuden kvanttilaskenta-alustalla. Kvasipartikkelit ovat eksitaatioita suprajohteen johtavuuselektronien perustilalta. Työn kolmantena aihealueena oli kvasipartikkelien syntymisen ja uudelleenyhdistymisen dynamiikka anturisovelluksissa. Sähködynamiikan termejä käyttäen suprajohtavassa ohutkalvossa on kineettistä induktanssia, joka on peräisin Cooperin parien inertiasta, sekä resistiivistä häviötä kvasipartikkeleista. Jos kalvo on osana sähköistä värähtelijää, kvasipartikkelitiheys ohjaa sen mikroaaltotaajuudella olevaa ominaistaajuutta sekä hyvyyslukua. Tässä työssä alimillimetrialueen säteilyä muutettiin kvasipartikkeleita synnyttäväksi lämpötilavaihteluksi suprajohteessa, ja ulkoista magneettikenttää vastaavasti supravirraksi. Näissä kahdessa laitteessa, kutsumanimiltään kineettisen induktanssin bolometri ja magnetometri, aikaansaadut muutokset värähtelijän parametreissa luettiin hyötysignaalin erottamiseksi. Anturien karakterisaatio osoitti potentiaalia suurelle herkkyydelle sekä pienelle kohinalle. Tulevaisuuden sovelluksia bolometrille on esimerkiksi turva- ja valvontatekniikassa, ja magnetometrille biomagnetismin alalla. Tässä yhteydessä taajuusmultipleksointi helpottaa skaalaamista ylöspäin suuriin anturiryhmiin.
Julkaisun otsikon käännösMikroaalloille sovitettuja suprajohtavia laitteita anturisovelluksiin sekä kvantti-informaation käsittelyyn
AlkuperäiskieliEnglanti
PätevyysTohtorintutkinto
Myöntävä instituutio
  • Aalto-yliopisto
Valvoja/neuvonantaja
  • van Dijken, Sebastiaan, Vastuuprofessori
  • Hakonen, Pertti, Vastuuprofessori
  • Seppä, Heikki, Ohjaaja, Ulkoinen henkilö
  • Hassel, Juha, Ohjaaja, Ulkoinen henkilö
Kustantaja
Painoksen ISBN978-951-38-8311-9
Sähköinen ISBN978-951-38-8312-6
TilaJulkaistu - 2015
OKM-julkaisutyyppiG5 Artikkeliväitöskirja

Tutkimusalat

  • suprajohtavuus
  • Josephsonin liitos
  • suprajohtava kubitti
  • yhden kubitin kontrolli
  • kvanttirajoitteinen vahvistin
  • kineettinen induktanssi
  • alimillimetri-aallonpituusalueen ilmaisin
  • magnetometri

Sormenjälki

Sukella tutkimusaiheisiin 'Mikroaalloille sovitettuja suprajohtavia laitteita anturisovelluksiin sekä kvantti-informaation käsittelyyn'. Ne muodostavat yhdessä ainutlaatuisen sormenjäljen.

Siteeraa tätä