Engineering the coupling of superconducting qubits

Ciani, Alessandro; Hassler, Fabian; DiVincenzo, David

doi:38482

Engineering the coupling of superconducting qubits

Ciani, Alessandro^RWTH*

2019

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von M.Sc. Alessandro Ciani

ImpressumAachen 2019

Umfang1 Online-Ressource (xxvii, 171 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2019

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

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

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-04-12

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2019-07433
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/765439/files/765439.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
hamiltonian quantum computing (frei) ; parity measurements (frei) ; superconducting qubits (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Die Realisierung eines skalierbaren und zuverlässigen Quantencomputers, der tatsächlich die Quanten-Vorteile ausnutzt, steht vor mehreren Herausforderungen. Unter den verschiedenen Vorschlägen einer Implementierung eines Quantencomputers haben sich supraleitende Qubits rasch verbessert und sind sehr vielversprechend in absehbarer Zukunft. Insbesondere die Möglichkeit, die benötigten Wechselwirkungen einzustellen, ist eine der attraktivsten Eigenschaften dieser Architektur. Diese Dissertation handelt von einigen detaillierten Aspekten dieses Problems, wobei Architekturen, welche auf supraleitende Qubits ähnlich dem Transmon basieren, im Vordergrund stehen. Nach der Besprechung grundlegender Werkzeuge, die für die Untersuchung supraleitender Schaltkreise benötigt werden, sowie der wichtigsten supraleitenden Qubits analysieren wir einen möglichen Entwurf für die Realisierung einer direkten Paritätsmessung. Die Messungen der Parität, bzw. i.A. sogenannte „stabilizer“ Messungen, sind fundamentale Werkzeuge für die Realisierung einer Quantenfehlerkorrektur. Diese ist fundamental, um das Problem der Dekohärenz, die jede physikalische Implementierung eines Quantencomputers beeinflusst, zu umgehen. Während diese Messungen normalerweise indirekt mit Hilfs-Qubits ausgeführt werden, analysieren wir ein Schema, das diese Messungen direkt ausführt, jedoch die Anpassung einer genauen Bedingung voraussetzt. Wir zeigen, wie ausreichend Freiheiten in der Gestaltung der Wechselwirkung mit „tunable coupling qubits“, die eine Variante des Transmons sind, erreicht werden können. Im zweiten Teil dieser Dissertation betrachten wir ein alternatives Modell eines Quantencomputers sowie eine mögliche Realisierung mit Transmons. Dieses Modell realisiert einen Quantencomputer mit einem zeitunabhängigen Hamilton-Operator und ist nah verwandt mit dem ursprünglichen Modell eines Quantencomputers, das von Feynman vorgeschlagen wurde. Nach der Einführung der Grundideen dieses Modells analysieren wir eine neue Version mit modifizierter Dynamik, welche exakt mit Feynmans ursprünglicher Idee übereinstimmt. Außerdem wird gezeigt, wie das Toffoli-Gatter in diesem Modell realisiert wird. Im Anschluss folgt eine Analyse der Implementierung mit Transmons. Wir zeigen, wie es möglich ist einen Hamilton-Operator zu konstruieren, der die gewünschte Rechnung in einer komplett passiven Arten und Weise sowie mit der gewünschten Bandbreite der Parameter ausführt, wobei störende, unerwünschte Terme limitiert werden.

The way to build a scalable and reliable quantum computer that truly exploits the quantum power faces several challenges. Among the various proposals for building a quantum computer, superconducting qubits have rapidly progressed and hold good promises in the near-term future. In particular, the possibility to design the required interactions is one of the most appealing features of this kind of architecture. This thesis deals with some detailed aspects of this problem focusing on architectures based on superconducting transmon-like qubits. After reviewing the basic tools needed for the study of superconducting circuits and the main kinds of superconducting qubits, we move to the analyisis of a possible scheme for realizing direct parity measurement. Parity measurements, or in general stabilizer measurements, are fundamental tools for realizing quantum error correcting codes, that are believed to be fundamental for dealing with the problem of decoherence that affects any physical implementation of a quantum computer. While these measurements are usually done indirectly with the help of ancilla qubits, the scheme that we analyze performs the measurement directly, and requires the engineering of a precise matching condition. We show how sufficient freedom in the design of the interactions can be achieved with tunable coupling qubits, which are a variant of transmon qubits. In the second part of the thesis, we study instead an alternative model for quantum computation and a possible realization with transmon qubits. The model performs a quantum computation with a time-independent Hamiltonian and it is closely connected to one of the original proposals for a quantum computer due to Feynman. After explaining the basic ideas of the model, we also discuss a new version with a modified dynamics compared to previous proposals, which maps exactly to Feynman’s original idea, and also how to realize a Toffoli gate in the model. We then move to the analysis of an implementation with transmon qubits. We show how it is possible to engineer the Hamiltonian that performs the desired computation in a completely passive way, and with the desired range of parameters, limiting spurious, unwanted terms.

OpenAccess:
PDF
(zusätzliche Dateien)