Väitös teknillisen fysiikan alalta, DI Aarne Keränen

Väitöskirjan nimi: Measurement techniques for quantum microwaves

Väittelijä: Aarne Keränen
Vastaväittäjä: apulaisprofessori Michael Hatridge, Yale University, Yhdysvallat
Kustos: professori Mikko Möttönen, Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu 

Tässä väitöskirjassa esitellään uusi menetelmä mikroaaltofotonien kvanttistatististen ominaisuuksien mittaamiseen. Osoitamme, että suprajohde–normaalijohde–suprajohde-liitoksiin (SNS) perustuva mikroaaltosäteilyilmaisin kykenee suoraviivaisesti mittaamaan valon fotonilukumäärän varianssin keskimääräisen fotoniluvun lisäksi. Esitetyssä menetelmässä signaali mitataan jo kryostaatin kylmimmässä osiossa noin kymmenien millikelvinien lämpötilassa, mikä poistaa vahvistinkohinan mitatusta signaalista kokonaan ja vaatii ainoastaan dataväylän kryostaatista huoneenlämpötilaan. Osoitamme, että menetelmällä on välitön sovelluskohde mikroaaltofotonien kvanttitilojen karakterisoinnissa.

Yllä mainitun päätuloksen lisäksi väitöskirja esittelee uuden menetelmän kvanttibittien (kubittien) tilan lukemiseen. Käytännölliset kvanttilaskennan sovellukset vaativat miljardeja alkeisoperaatioita, kuten kubitin tilan mittauksen. Siksi niiden virhealttiuden ja suoritusajan minimointi on tärkeää. Esittämämme menetelmä on sekä nopeampi että tarkempi kuin yleisesti käytetty lukumenetelmä, ja sen lukuvirhe on parhaimmillaan puolet pienempi.

Lisäksi väitöskirjassa esitellään menetelmiä kvanttipiirien koon pienentämiseksi. Esitämme täsmällisen prosessin resonanssipiirien suunnitteluun ilman tietokonesimulaatioita. Valmistetuilla resonaattoreilla on noin kertaluokkaa pienempi koko verrattuna suprajohtavissa piireissä yleisesti käytettäviin puoliaalto- ja neljännesaaltoresonaattoreihin. Lisäksi näytämme SNS-antureiden yhtäaikaisen lukuoperaation, mikä vähentää tarvittavien ohjaus- ja mittauslinjojen määrää.

Väitöskirja luo pohjaa uusille tavoille mitata mikroaaltoja ja suprajohtavia kubitteja sekä esittää parannuksia mittausten toteutukseen. Mikroaaltoantureiden ja kvanttiprosessorien tulevan kehityksen myötä esitetyt tulokset edistävät kvanttiteknologisten laitteiden etenemistä kohti käytännön sovelluksia.

Avainsanat: Josephsonin liitos, säteilyilmaisin, kvanttilaskenta

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