Väitös teknillisen fysiikan alalta, M.Sc. Dmitrii Lvov

Väitöskirjan nimi: Thermometry based on a superconducting qubit 

Väittelijä: Dmitrii Lvov
Vastaväittäjä: professori Alexey V. Ustinov, Karlsruhe Institute of Technology, Saksa
Kustos: professori Jukka Pekola, Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu 

Tässä väitöskirjassa osoitetaan suprajohtavaan transmon-kubittiin perustuvan lämpömittarin toiminta.  Väitöskirjan kokeelliset tulokset osoittavat, että mittaamalla kubitin populaatiojakauman ja sitä vastaavan efektiivisen lämpötilan, on mahdollista mitata kubitin kanssa vuorovaikuttavan kohteen lämpötila. Kubitti on kvanttiluonteensa takia kuitenkin hyvin herkkä myös muille systeemin eksitaatiolähteille, joita voidaan käsitellä erillisinä kohinalähteitä tai lämpökylpyinä. 
 
Useisiin korreloimattomiin lämpökylpyihin kytketyn kubitin tarkastelu on tärkeä osa väitöskirjaa. Tutkimus kartoittaa kubittiin perustuvan lämpömittarin toimivuusaluetta dynaamisen alueen, toimintanopeuden, tarkkuuden ja mittaustarkkuuden osalta. Siinä missä dynaamisen lämpötila-alueen yläraja määräytyy pääasiassa kubitin valmistuksessa käytettävän suprajohteen ominaisuuksien, nimittäin suprajohtavan energia-aukon, perusteella, alarajan lämpötila-alueelle asettaa kytkentä parasiittisiin eksitaatiolähteisiin. 

Transmon-kubitin populaatiomittaukset perustuvat algoritmiin, joka hyödyntää π-pulsseja transmon-kubitin kolmen alimman energiatason populaatioiden vaihtoon. Signaali-kohinasuhteella ja kubitin kontrollipulssien laadulla on suurin vaikutus menetelmän tarkkuuteen ja mittaustarkkuuteen. Viime kädessä mittaustarkkuuden rajan asettaa Cramér-Rao-raja, mikä ilmentää esitetyn lämpötilanmittausmenetelmän statistista luonnetta. 

Lopuksi transmon-kubittia hyödynnetään samalla sirulla sijaitsevan mesoskooppisen lämpökylvyn lämpötilamittaukseen. Tämä lämpökylpy on normaalimetallinen vastus, jonka lämpötilaa kontrolloitiin normaalimetalli/eriste/normaalimetalli-liitoksin (NIS). Kytkemällä transmon-kubitti kapasitiivisesti vastukseen ja suorittamalla populaatiomittauksia onnistuttiin havaitsemaan lineaarinen riippuvuus kubitin efektiivisen lämpötilan ja vastuksen lämpötilan välillä. Vaikka kubitin ja vastuksen välinen kytkentä oli suunniteltu fotonivälitteiseksi, mittauksissa onnistuttiin havaitsemaan myös toinen vuorovaikutuskanava. Suurilla NIS-liitoksen etujännitteillä, joita käytetään vastuksen lämpötilan asettamiseen, liitos alkaa emittoimaan epätasapainofononeita, jotka rikkovat Cooperin pareja suprajohtavassa kubitissa. Tämä on ei-paikallinen ilmiö, jossa epätasapainokvasihiukkaset johtavat sekä kubitin populaatiojakauman muutokseen sekä merkittävään relaksaatioajan pienenemiseen. 

Yhteystiedot: 
dmitrii.lvov@aalto.fi 
https://www.linkedin.com/in/dmitrii-lvov-b44931b1 

https://pico.aalto.fi/ 

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