Väitös, teknillinen fysiikka, MSc Aashish Sah

Väitöskirjan nimi: Programmable coupling to electromagnetic environments in superconducting qubits

Väittelijä: Aashish Sah 
Vastaväittäjä: Professori Eli levenson-Falk, University of Southern California, Yhdysvallat
Kustos: Akatemiaprofessori Mikko Möttönen, Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu 

Suprajohtavien kvanttibittien suojaus ja ohjaus 

Suprajohtavat piirit tarjoavat monipuolisen alustan kvanttilaskennalle ja muille kvanttiteknologioille. Niiden suorituskyky edellyttää herkän kvantti-informaation säilyttämistä sekä nopeaa ja tarkkaa ohjausta. Näiden vaatimusten yhdistäminen on perustavanlaatuinen haaste: kvanttibitin eli kubitin ohjaukseen tarvittava ulkoinen kytkentä aiheuttaa myös energiahäviöitä ja välittää ympäristön kohinaa kubittiin. 

Tässä väitöskirjassa tutkimme, miten suprajohtavien kubittien sähkömagneettista ympäristöä voidaan muokata eristyksen ja ohjauksen tasapainottamiseksi. Kehitämme piiriratkaisuja, jotka suojaavat kubitteja säilyttäen niiden toiminnassa tarvittavat vuorovaikutukset, ja osoitamme ratkaisujen toimivuuden kokeellisesti. Työ vastaa keskeiseen haasteeseen entistä suurempien ja luotettavampien kvanttiprosessorien kehittämisessä. 

Ensiksi esittelemme suoraan sirulle integroituja suodattimia, jotka vähentävät kubittien ohjauslinjojen kautta tapahtuvaa energiahäviötä. Suodattimet pidentävät kubitin mitattua energian relaksaatioaikaa jopa 200-kertaiseksi. Osoitamme, että näin suojattua kubittia voidaan ohjata nopeasti mikroaaltosignaaleilla, joiden taajuus on kolmasosa kubitin ominaistaajuudesta. Menetelmä voi myös vähentää ohjaussignaalien aiheuttamaa lämpökuormaa jäähdytysjärjestelmässä. 

Toiseksi esittelemme säädettävän quantum dial -suodattimen, jolla hallitaan kubitin ja sen ympäristön välistä kytkentää. Piiri tukee kolmea toimintatilaa: lepotilaa, jossa säteilyhäviöt ovat vähäisiä, ohjaustilaa, joka mahdollistaa korkean fideliteetin yhden kubitin portit, ja voimakkaan kytkennän tilaa, jossa kubitti alustetaan alkutilasta riippumatta ja ilman mittaustuloksiin perustuvaa ohjausta. Osoitamme myös herkän lämpötilanmittauksen käyttämällä kubittia sen ympäristön lämpömittarina. Tulokset havainnollistavat, miten säädettävä kytkentä voi palvella sekä kvanttilaskentaa että kvanttianturointia. 

Näiden tulosten lisäksi väitöskirjassa kehitetään kompakteja mikroaaltokomponentteja sekä menetelmiä kubittien alustamiseen ja etenevien mikroaaltokenttien karakterisointiin. Ne tarjoavat uusia työkaluja suprajohtavien kvanttipiirien tutkimiseen ja käyttöön. 

Tulokset osoittavat, että kubitin ja ympäristön välisen kytkennän suunnittelulla voidaan yhdistää kubitin suojaus ja sen toiminnassa tarvittavat vuorovaikutukset. Kehitetyt menetelmät tarjoavat keinoja vähentää ei-toivottuja energiahäviöitä ja mukauttaa vuorovaikutukset eri operaatioiden vaatimuksiin tulevissa suprajohtavissa kvanttiprosessoreissa.

Avainsanat: Josephsonin liitos, Kubitti, Kvanttilaskenta

Linkki väitöskirjan sähköiseen esittelykappaleeseen (esillä 7 päivää ennen väitöstä): Aalto-yliopiston riiputussivu.