Quantum hall plasmonics for quantum computation

Bosco, Stefano; Hassler, Fabian; DiVincenzo, David P.

doi:38620

Quantum hall plasmonics for quantum computation = Quanten-Hall-Plasmonik für Quantencomputing

Bosco, Stefano^RWTH*

2019

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von M.Sc. Stefano Bosco

ImpressumAachen 2019

Umfang1 Online-Ressource (xix, 250 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2019

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

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

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-10-14

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2019-09498
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/768802/files/768802.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
circulator (frei) ; edge magnetoplasmons (frei) ; edge states (frei) ; graphene (frei) ; gyrator (frei) ; high impedance (frei) ; magnetic field (frei) ; meta-materials (frei) ; plasmonics (frei) ; quantum anomalous hall effect (frei) ; quantum computation (frei) ; quantum hall effect (frei) ; singlet-triplet qubit (frei) ; spin qubit (frei) ; transmission line (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Seit seiner ersten Entdeckung hat der Quanten-Hall-Effekt aufgrund seiner faszinierenden Physik und seiner potenziellen realen Anwendungen die Aufmerksamkeit vieler Forscher auf sich gezogen.Tatsächlich weisen Materialien im Quanten-Hall-Regime bemerkenswerte physikalische Eigenschaften auf, die sich in verschiedenen Zweigen der angewandten Wissenschaft als nützlich erweisen können.In dieser Arbeit suchen wir nach Möglichkeiten, diese Materialien im Kontext der Quantenberechnung einzusetzen.Quanten-Hall-Systeme sind im Inneren isolierend, weisen jedoch an den Rändern lückenlose Zustände auf, die dissipationsfreie leitende Kanäle liefern.Aus diesem Grund ist die Antwort auf von außen angelegte elektrische Felder mit energiearmen Anregungen verbunden, die an den Rändern der Probe lokalisiert sind.Wir präsentieren ein Modell zur Beschreibung der Dynamik dieser Anregungen und spezialisieren uns auf Systeme, bei denen das Quanten-Hall-Material kapazitiv an externe Elektroden gekoppelt ist, die von zeitabhängigen Potentialen getrieben werden. Da bei diesen Strukturen die Zeitumkehrsymmetrie gebrochen ist, typischerweise durch ein äußeres Magnetfeld, breiten sich die energiearmen Anregungen chiral entlang der Materialkanten aus und können so zur Realisierung verlustarmer nicht-reziproker Bauelemente wie zum Beispiel Gyratoren und Zirkulatoren verwendet werden.Zirkulatoren sind Schlüsselkomponenten für die gerichteteSteuerung von Festkörper-Qubits, da sie das in die Kühlaggregate eindringende thermische Rauschen auf das für die Quantenberechnung erforderliche Maß reduzieren. In einem Quantencomputer erwartet man mindestens einen Zirkulator pro Ausleseschaltung.Zirkulatoren nach dem Stand der Technik basieren in der Regel auf dem Faraday-Effekt. Obwohl diese hinsichtlich der Verluste gut funktionieren, können sie nicht unter die Wellenlänge des Signals skaliert werden.Im Mikrowellenbereich, in dem die Wellenlängen wenige Zentimeter betragen, führt diese Einschränkung zu ungelegen sperrigen Bauelementen, deren Größe die Skalierbarkeit von Festkörperquantenprozessoren, die aus einer großen Anzahl von Qubits bestehen, drastisch limitiert.Im Gegensatz dazu sind nicht-reziproke Mikrowellen-Quanten-Hall-Effekt-Bauelemente technologisch vorteilhaft, da sie kompakt auf dem Chip hergestellt werden können.Ein weiteres nützliches Merkmal des Quanten-Hall-Effekts besteht darin, dass eine kleine Menge an Strom, die in das System gezwungen wird, einen großen Potentialabfall zwischen den gegenüberliegenden Kanten verursacht.Wir diskutieren, wie diese Eigenschaft genutzt werden kann, um verlustarme Mikrowellenübertragungsleitungen und Resonatoren mit einer charakteristischen Impedanz in der Größenordnung des Widerstandsquantums $ R_K \approx 25.8 \ \mathrm{k} \Omega $ herzustellen.Der hohe Wert der Impedanz garantiert, dass die Spannung pro Photon hoch ist, und folglich sind Resonatoren mit hoher Impedanz vielversprechend für die Konstruktion einer großen elektrostatischen Kopplung zwischen Mikrowellenphotonen und Systemen mit einem kleinen Ladungsdipol, wie Spin-Qubits.

Since its first discovery, the quantum Hall effect has captured the attention of many researchers because of its fascinating physics and of its potential real-world applications. In fact, materials in the quantum Hall regime have striking physical properties that can prove useful in several branches of applied science. In this thesis, we look for ways to employ these materials in the context of quantum computation. Quantum Hall systems are insulating in the bulk but at the edges they present gapless states that provide dissipationless channels of conductance. For this reason, the response to externally applied electric fields is associated to low-energy excitations that are localized at the boundary of the sample. We present a model to describe the dynamics of these excitations and we specialize to systems where the quantum Hall material is capacitively coupled to external electrodes driven by time-dependent potentials. Because in these structures the time-reversal symmetry is broken, typically by an external magnetic field, the low-energy excitations propagate chirally along the edges of the material, and so they can be used to realize low-loss non-reciprocal devices such as gyrators and circulators. Circulators are key components for directional control of solid state qubits, reducing the thermal noise coming into the fridges to the level required for quantum computation. In a quantum computer, one expects to have at least a circulator per readout circuit.State-of-the-art circulators are typically based on the Faraday effect and although they work well in terms of losses, they cannot be scaled below the wavelength of the signal. In the microwave regime, where the wavelengths are of few centimeters, this constraint results in inconveniently bulky devices, whose size drastically limits the scalability of solid state quantum processors composed of a large number of qubits. In contrast, microwave non-reciprocal quantum Hall effect devices are technologically advantageous because they can be made compactly on-chip. Another useful feature of the quantum Hall effect is that a small amount of current forced in the system causes a large potential drop between the opposite edges. We discuss how this property can be exploited to manufacture low-loss microwave transmission lines and resonators with a characteristic impedance of the order of the quantum of resistance $R_K\approx 25.8 \ \mathrm{k}\Omega$. The high value of the impedance guarantees that the voltage per photon is high and consequently high impedance resonators hold promise for engineering a large electrostatic coupling between microwave photons and systems with a small charge dipole, such as spin qubits.

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