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| 024 | 7 | _ | |2 HBZ |a HT021192353 |
| 024 | 7 | _ | |2 Laufende Nummer |a 40946 |
| 024 | 7 | _ | |2 datacite_doi |a 10.18154/RWTH-2021-11569 |
| 037 | _ | _ | |a RWTH-2021-11569 |
| 041 | _ | _ | |a English |
| 082 | _ | _ | |a 530 |
| 100 | 1 | _ | |0 P:(DE-588)1249152305 |a Hsu, Hao |b 0 |u rwth |
| 245 | _ | _ | |a Quantum circuit refrigerator for superconducting circuits : qubit reset and microwave gain |c vorgelegt von Hao Hsu, M.Sc. |h online |
| 246 | _ | 3 | |a Quantenschaltungskühlschrank für supraleitende Schaltungen: Qubit-Reset und Mikrowellenverstärkung |y German |
| 260 | _ | _ | |a Aachen |b RWTH Aachen University |c 2021 |
| 260 | _ | _ | |c 2022 |
| 300 | _ | _ | |a 1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme |
| 336 | 7 | _ | |0 2 |2 EndNote |a Thesis |
| 336 | 7 | _ | |0 PUB:(DE-HGF)11 |2 PUB:(DE-HGF) |a Dissertation / PhD Thesis |b phd |m phd |
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| 336 | 7 | _ | |2 ORCID |a DISSERTATION |
| 500 | _ | _ | |a Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2022 |
| 502 | _ | _ | |a Dissertation, RWTH Aachen University, 2021 |b Dissertation |c RWTH Aachen University |d 2021 |g Fak01 |o 2021-11-16 |
| 520 | 3 | _ | |a Das Quantencomputing ist zu einem der Grundpfeiler der Forschung in der Quantentechnologie geworden. Nach einem der DiVincenzo-Kriterien ist die schnelle und präzise Resetten eines Qubits notwendig, um Quantencomputer zu realisieren. Kürzlich wurde experimentell und theoretisch nachgewiesen, dass ein ”Quantenschaltungskühlschrank” (QCR), der aus einem vorgespannten Supraleiter-Isolator-Normalmetall-Isolator-Supraleiter-Tunnelübergang (SINIS) besteht, supraleitende Resonatoren kühlen kann. Im ersten Teil dieser Arbeit erweitern wir die zuvor entwickelte Theorie, um einen QCR zu untersuchen, der an einen generischen supraleitenden Schaltkreis gekoppelt ist, wobei Fermis goldene Regel zur Berechnung der QCR-induzierten Übergangsraten verwendet wird. Wir erörtern spezifische Beispiele, darunter QCR-Transmon und QCR-kapazitiv geshuntete Flux-Qubit-Systeme, und sagen 99,99% Reset-Treue in einer Reset-Zeit von wenigen bis einigen zehn Nanosekunden voraus, je nach Szenario. Darüber hinaus kann die QCR-induzierte Zerfallsrate des gekoppelten Qubits durch Ändern der Vorspannung des QCR ein- und ausgeschaltet werden, wobei das Ein/Aus-Verhältnis bei typischen experimentellen Parametern größer als 10^5 ist. Daher scheint der QCR ein vielversprechendes Werkzeug für das Zurücksetzen von Qubits und für detaillierte Studien von offenen Quantensystemen zu sein. Um die Dynamik der Überschussladung auf der Normalmetallinsel genauer zu untersuchen, leiten wir eine Hauptgleichung für ein QCR-Zwei-Niveau-System ab. Wir stellen fest, dass ausgehend von einer stationären Überschussladungsverteilung auf der Normalmetall-Insel die Verteilung dank der langsameren Ladungsrelaxationsrate als der Dekohärenzrate des freien Qubits im ausgeschalteten Zustand und der QCR-induzierten Qubit-Zerfallsrate immer in ihrem stationären Zustand bleibt, wodurch die oben dargestellte Theorie bestätigt wird. Auf der Grundlage des Master-Gleichungsansatzes ziehen wir auch die Anwendung einer Wechselspannung zur Steuerung des QCR in Betracht, was ein durch die Antriebsamplitude abgestimmtes 10^4 Ein/Aus-Verhältnis ermöglicht. Wir erreichen eine Verringerung der Qubit-Anregung um eine Größenordnung innerhalb einer Zeit von 40 ns und eine verbleibende Reset-Infidelität von weniger als 10^−4, was mit dem gleichstromgesteuerten QCR vergleichbar ist. Schließlich untersuchen wir ein so genanntes Punkt-QCR-System, bei dem die Normalmetallinsel des regulären QCR durch einen Quantenpunkt ersetzt wird, so dass die entsprechende Ladeenergie zur größten Energieskala wird. Mit Hilfe des Master-Gleichungsansatzes finden wir heraus, dass die durch die Punkt-QCR induzierte Zerfallsrate zwar niedrig ist, es aber einen Spannungsbereich gibt, der in der regulären QCR nicht vorkommt, in dem die photonenunterstützten Tunnelungen als Pumpmechanismus dienen. Wir untersuchen eine mögliche Anwendung der resultierenden Mikrowellenverstärkung durch Kopplung des Punkt-QCR an einen Resonator und stellen fest, dass die gelieferte maximale Leistung 38 Femtowatt beträgt. Interessanterweise stellen wir fest, dass der Fano-Faktor einer solchen Mikrowellenquelle kleiner als eins sein kann, was auf einen nicht-klassischen Zustand des Lichts hindeutet, der in der Quantenmetrologie nützlich sein könnte. |l ger |
| 520 | _ | _ | |a Quantum computing has become one of the pillars in the research of quantum technology. According to one of the DiVincenzo’s criteria, quickly and accurately resetting a qubit is necessary to realize quantum computers. Recently, a “quantum circuit refrigerator” (QCR) consisting of a voltage-biased superconductor–insulator–normal-metal–insulator–superconductor (SINIS) tunnel junction has been experimentally and theoretically demonstrated to cool superconducting resonators. In the first part of this thesis work, we extend the theory developed previously to study a QCR coupled to a generic superconducting circuit, where the Fermi’s golden rule is used to calculate the QCR-induced transition rates. We discuss specific examples, including QCR-transmon and QCR-capacitively shunted flux qubit systems and predict 99.99% reset fidelity in a reset time of few to few tens of nanoseconds, depending on the scenario. In addition, the QCR-induced decay rate of the coupled qubit can be turned on and off by changing the bias voltage of the QCR, with an on/off ratio larger than 10^5 for typical experimental parameters. Therefore, the QCR seems to be a promising tool for qubit reset and for detailed studies of open quantum systems. To study in more details the dynamics of the excess charge on the normal-metal island, we derive a master equation for a QCR-two level system. We find that starting with a steady state excess charge distribution on the normal-metal island, thanks to slower charge relaxation rate than the bare qubit decoherence rate in the off state and the QCR-induced qubit decay rate, the distribution always remains in its steady state, thus validating the theory presented above. Based on the master equation approach, we also consider applying an ac voltage tocontrol the QCR, which enables a 10^4 on/off ratio tuned by the drive amplitude. We achieve an order-of-magnitude drop in the qubit excitation within a duration of 40 ns and a residual reset infidelity below 10^−4, which is comparable to the dc-control QCR.Finally, we study a so-called dot QCR system where the normal-metal island of the regular QCR is replaced with a quantum dot, such that the corresponding charging energy becomes the largest energy scale. Also using the master equation approach, we find out that though the dot QCR-induced decay rate is low for qubit reset, there exists a voltage regime which cannot be found in the regular QCR, where the photon-assisted tunnelings serve as a pumping mechanism. We investigate a possible application of the resulting microwave gain by coupling the dot QCR to a resonator and find that the delivered maximum power to be 38 femtowatts. Interestingly, we find that the Fano factor of such a microwave source can be lower than unity, implying a non-classical state of light, which may be useful in quantum metrology. |l eng |
| 588 | _ | _ | |a Dataset connected to Lobid/HBZ |
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| 653 | _ | 7 | |a quantum computing |
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