Väitös, teknillinen fysiikka, M.Sc. Christoforus Dimas Satrya

Väitöskirjan nimi: Thermal sensing for quantum thermodynamics experiments on superconducting circuits  

Väittelijä: Christoforus Dimas Satrya
Vastaväittäjä: professori Tero T. Heikkilä, University of Jyväskylä, Suomi
Kustos: professori Jukka Pekola, Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu 

Suprajohtavat piirit tarjoavat helposti kontrolloitavan ja monipuolisen alustan kvantti-ilmiöiden tutkimukseen ja kvanttiteknologioiden kehitykseen. Josephson-liitokset ja suprajohtavat resonaattorit ovat näiden piirien keskeisiä elementtejä tarjoten toteutuksen makroskooppisille kvanttisysteemeille, kuten kubiteille, joita voidaan kontrolloida, mitata sekä integroida ei-suprajohtavien komponenttien kanssa. Termisen lämpökylvyn toteutus sisällyttämällä mukaan häviöllinen elementti, kuten esimerkiksi normaalimetallinen vastus, tarjoaa kokeellisen alustan sekä kvanttitermodynamiikan ja piirien lämmönhallinnan tutkimukseen, että sirulle integroitujen lämpömittareiden ja kvanttilämpölaitteiden toteutukseen. 

Tässä väitöskirjassa mesoskooppinen normaalimetalli ja siihen sisällytetyt lämpömittarit yhdistetään sirulle integroiduksi bolometriksi. Tätä bolometria hyödynnetään tarkkana ja laajakaistaisena termisenä spektrometrinä karakterisoimaan suprajohtavan resonaattorin ominaisuuksia ja tärkeimpiä häviölähteitä. Tämän termisen mittalaitteen kyvykkyyttä havainnollistetaan mittaamalla resonaattorin mooditaajuuksia laajalta 20 GHz ylittävältä alueelta. Kvanttilämpöventtiili voidaan toteuttaa kytkemällä kaksi lämpökylpyä toisiinsa kubitti-resonaattorisysteemin kautta. Tällainen laite on aiemmin toteutettu sekä transmon- että vuokubiteille. Väitöskirjassa esitetään näiden kokeiden mallintamiseen elektromagneettiseen simulaatioon ja mikroaaltopiiriteoriaan perustuva menetelmä, joka rajoittuu lineaarisen vasteen alueelle. Tästä rajoitteesta huolimatta menetelmä kuvaa menestyksekkäästi kokeellisia havaintoja ja tarjoaa käytännöllisen työkalun piirianalyysiin ja suunnitteluun tulevia kokeita varten. 

Jaksollisesti ajettu kubitti kytkettynä kahteen eritaajuuksiseen resonaattoriin, jotka puolestaan ovat kytkettyinä omiin lämpökylpyihinsä, mahdollistaa kvanttijäähdyttimen toteutuksen. Väitöskirjassa kartoitetaan vaihtoehtoisia korkean epäharmonisuuden varaus- ja vuokubitteihin perustuvia alustoja kvanttijäähdyttimen toteutukseen. Tärkeänä vaiheena väitöskirjassa esitetään tutkimus, jossa käytetään ajettua vuokubittia galvaanisesti kytkettynä resonaattoriin, joka puolestaan on kapasitiivisesti kytkettynä lämpökylpyyn. Tässä tutkimuksessa mitatussa lämpövirrassa havaitaan interferenssikuvioita, joiden aiheuttaja on systeemin ajon aikaansaama koherenssi. Näitä kvanttipiirteitä kontrolloi kubitin tilojen ajon aikana kerääntynyt vaihe-ero. 

Avainsanat: Kvanttitermodynamiikka, lämpöilmaisin, bolometri, kvanttilämmönsiirto, mesoskooppiset laitteet, suprajohtavat piirit ja kubitit.

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

Yhteystiedot: 
christoforus.satrya@aalto.fi 
https://www.linkedin.com/in/christoforussatrya/ 
https://pico.aalto.fi/