Quantum measurements in Majorana circuit quantum electrodynamics

Ohm, Christoph; Hassler, Fabian; Schmidt, Thomas; DiVincenzo, David P.

doi:35715

Quantum measurements in Majorana circuit quantum electrodynamics = Quantenmessungen in der Schaltkreis-Quantenelektrodynamik der Majorana Quasiteilchen

Ohm, Christoph

2016 & 2017

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Dipl.-Phys. Christoph Ohm

ImpressumAachen 2016

Umfang1 Online-Ressource (xiv, 160 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2016

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2017

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Hassler, Fabian (Thesis advisor)^RWTH* ; Schmidt, Thomas (Thesis advisor) ; DiVincenzo, David P. (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-02-02

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-120797
DOI: 10.18154/RWTH-2016-12079
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/680898/files/680898.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/680898/files/680898.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
quantum computation (frei) ; majorana qubits (frei) ; superconducting qubits (frei) ; circuit quantum electrodynamics (frei) ; quantum measurement (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Quantencomputing ist ein facettenreiches Forschungsfeld, welches die physikalische Realisierung von Quantensystemen und deren Manipulation beabsichtigt. Die vorliegende Arbeit diskutiert die Kombination zweier bemerkenswerter Ansätze in dem Bestreben nach einem vollständig einsatzfähigen Quantencomputer---die Schaltkreis-Quantenelektrodynamik und topologisches Quantencomputing basierend auf Majorana Quasiteilchen. In der Schaltkreis-Quantenelektrodynamik wird Quanteninformation in kleinen supraleitenden Bauelementen eines Schaltkreises gespeichert, deren Wechselwirkung mit elektromagnetischen Feldern im Mikrowellenbereich es erlaubt Quanteninformation in effektiver Weise zu verarbeiten. Wie sich gezeigt hat, ist dieses Verfahren überaus nützlich zur Kontrolle und zum Auslesen supraleitender Qubits, also derjenigen Bauelemente, die Quanteninformation enthalten. Aufgrund der bemerkenswert hohen Licht-Materie Kopplungsstärken, die für supraleitende Qubits in Mikrowellen-Resonatoren erzielt werden können, ist die Schaltkreis-Quantenelektrodynamik- Architektur in besonderem Maße hilfreich um hochempfindliche Quantenmessungen durchzuführen. Die Supraleitung selbst ist ein faszinierender Materiezustand, der eine Vielzahl unterschiedlicher Phänomene aufzeigt. Insbesondere die Entdeckung topologischer Phasen in der Supraleitung eröffnete neue Horizonte für das Quantencomputing. Ein bemerkenswertes System, in dem topologische Supraleitung auftritt, ist ein halbleitender-supraleitender Nanodraht an dessen Enden spezielle Nullmoden auftreten. Diese sogenannten Majorana-Nullmoden sind bemerkenswert robust gegenüber Dekohärenz und eignen sich daher ideal für fehlertolerantes Quantencomputing.Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wird die Möglichkeit untersucht Majorana-Nullmoden an Mikrowellenstrahlung zu koppeln. Der hier betrachtete Licht-Materie Kopplungsmechanismus entsteht für Majorana Nullmoden, die sich an einem supraleitenden Tunnelontakt mit angelegter Spannung befinden. Die Emission von Mikrowellen-Strahlung durch die Majorana-Nullmoden resultiert in kohärenter Strahlung, welche mit der halben Josephson-Frequenz abgestrahlt wird. Auf Basis dieser fraktionellen Josephson-Strahlung wird ein Mikrowellen-basiertes Ausleseverfahren für Majorana-Qubits vorgeschlagen. Wie in der Schaltkreis-Quantenelektrodynamik üblich, kann das vorgeschlagene Verfahren ein das Majorana-Qubit auf nicht-invasive Weise auslesen.Im letzten Teil der Arbeit wird ein neuartiges Verfahren zur Erzeugung von Quantenverschränkung, welche durch Messung induziert wird, zwischen entfernt liegenden supraleitenden Qubits vorgeschlagen, wie es zur Quantenkommunikation benötigt wird. Durch Messung eines einzelnen Photons, welches einen Mach-Zehnder interferometrischen Aufbau durchläuft, wird Quantenverschränkung deterministisch und mittels einer einzelnen Messung erzeugt. Das diskutierte Verfahren beruht im wesentlichen auf der starken Kopplung zwischen den Qubits und dem Photon.

Quantum computation is a multifaceted field of research aiming for the physical realization of quantum systems and their manipulation. This thesis discusses the combination of two notable approaches in the pursuit of a fully operational quantum computer---circuit quantum electrodynamics and topological quantum computation based on Majorana quasiparticles. In circuit quantum electrodynamics quantum information is stored into small superconducting circuit elements whose interaction with electromagnetic radiation in the range of microwaves allows to process quantum information very efficiently. This approach has proven extremely useful for control and readout of superconducting qubits, i.e., small circuit elements that carry quantum information. Because of remarkably strong light-matter couplings that can be achieved for superconducting qubits in microwave resonators, the circuit quantum electrodynamics architecture is particularly useful to perform highly sensitive quantum measurements.Superconductivity by itself is an intriguing state of matter that shows a great variety of different phenomena. In particular, the discovery of topological phases in superconductors opened new horizons for quantum computation. One notable system that admits topological superconductivity is a semiconductor-superconductor nanowire with special zero modes occurring at its ends. These so-called Majorana zero modes are remarkably robust against decoherence and therefore well-suited for fault-tolerant quantum computation.The first part of this thesis examines the coupling of Majorana zero modes to electromagnetic radiation with microwave frequencies. The light-matter coupling mechanism that is considered here arises for Majorana zero modes located at a voltage-biased superconducting tunneling junction. The emission of microwave radiation in presence of Majorana zero modes gives rise to coherent radiation which is emitted at half of the usual Josephson frequency. On the basis of this fractional Josephson radiation, we propose a microwave readout scheme for Majorana qubits. As usual for typical measurements in circuit quantum electrodynamics, the proposed readout implements a quantum non-demolition measurement for Majorana qubit.In the last part of the thesis we propose a novel scheme for the implementation of measurement-induced entanglement between remote superconducting qubits as required for quantum communication. By detecting a single photon, that passes a Mach-Zehnder interferometric setup, deterministic entanglement with single-shot efficiency is achieved. This scheme essentially relies on the strong coupling between the qubits and the photon.

OpenAccess:
PDF PDF (PDFA)
(zusätzliche Dateien)