Este Trabajo Fin de Grado tiene como objetivo el diseño, desarrollo e integración de un sistema de lectura de 300 MHz a 6 GHz para la medida de detectores de Inductancia Cinética (KIDs). Los KIDs son unos detectores extremadamente sensibles, con aplicaciones en radioastronomía y computación cuántica, basados en micro-resonadores superconductores que operan a temperaturas criogénicas dentro de un criostato, y cuya lectura requiere potencias muy débiles en la banda del sistema desarrollado en este trabajo. El sistema de lectura está compuesto por amplificadores de bajo ruido (LNA), conmutadores de doble vía (SPDTs), un atenuador programable, un divisor de potencia y un demodulador I/Q. Los SPDTs permiten seleccionar entre dos configuraciones de medida: mediante un analizador vectorial de redes (VNA) o a través del demodulador I/Q. En una primera fase se ha llevado a cabo el análisis, diseño y simulación del sistema de amplificación, evaluando diferentes configuraciones de LNA y SPDTs para seleccionar los componentes más adecuados. A partir de este estudio, se diseñó una PCB que posteriormente fue fabricada y corregida tras detectar problemas en una primera versión. El sistema ha sido caracterizado experimentalmente en laboratorio, tanto a nivel de placa como de componentes individuales, comprobando su comportamiento en frecuencia y en ruido. Finalmente, se ha llevado a cabo la integración de todos los elementos en una única caja, formando un sistema compacto y funcional, preparado para la lectura de KIDs mediante distintas configuraciones de medida.
Este Trabajo Fin de Grado tiene como objetivo el diseño, desarrollo e integración de un sistema de lectura de 300 MHz a 6 GHz para la medida de detectores de Inductancia Cinética (KIDs). Los KIDs son unos detectores extremadamente sensibles, con aplicaciones en radioastronomía y computación cuántica, basados en micro-resonadores superconductores que operan a temperaturas criogénicas dentro de un criostato, y cuya lectura requiere potencias muy débiles en la banda del sistema desarrollado en este trabajo. El sistema de lectura está compuesto por amplificadores de bajo ruido (LNA), conmutadores de doble vía (SPDTs), un atenuador programable, un divisor de potencia y un demodulador I/Q. Los SPDTs permiten seleccionar entre dos configuraciones de medida: mediante un analizador vectorial de redes (VNA) o a través del demodulador I/Q. En una primera fase se ha llevado a cabo el análisis, diseño y simulación del sistema de amplificación, evaluando diferentes configuraciones de LNA y SPDTs para seleccionar los componentes más adecuados. A partir de este estudio, se diseñó una PCB que posteriormente fue fabricada y corregida tras detectar problemas en una primera versión. El sistema ha sido caracterizado experimentalmente en laboratorio, tanto a nivel de placa como de componentes individuales, comprobando su comportamiento en frecuencia y en ruido. Finalmente, se ha llevado a cabo la integración de todos los elementos en una única caja, formando un sistema compacto y funcional, preparado para la lectura de KIDs mediante distintas configuraciones de medida.
Los receptores de radioastronomía han ido mejorando con el tiempo su sensibilidad para captar las ténues señales procedentes del Universo. Los detectores de inductancia cinética (KIDs) son un tipo de detectores empleados con tal propósito y están basados en la supercondutividad, con una sensibilidad muy alta, requiriendo temperaturas criogénicas para su funcionamiento. Fruto de tal desarrollo nace la necesidad de poner en marcha sistemas criogénicos para la caracterización del funcionamiento de tales dispositivos. A lo largo de este proyecto, se llevará a cabo la caracterización completa de un sistema para la medida de KIDs, empleando para ello el nuevo criostato del Departamento de Ingeniería de Comunicaciones de la Universidad de Cantabria. Se caracterizarán todos los componentes, tales como cables, atenuadores, DC Blocks y un amplificador de bajo ruido (LNA) criogénico. Adicionalmente, se llevará a cabo el diseño, fabricación y caracterización de un atenuador para baja frecuencia que permita disponer de dicho sistema para caracterizar con precisión cualquier otro dispositivo que funcione a temperaturas criogénicas o de bajo ruido (típicamente amplificadores de bajo ruido).
Este Trabajo Fin de Máster aborda el diseño de un amplificador de bajo ruido (LNA: Low-Noise Amplifier) destinado a la lectura de qubits superconductores en entornos criogénicos. Se ha partido de una etapa cascode, que es una combinación de etapas de puerta común (CG) y fuente común (CS), optimizada en ganancia y ruido, y que se amplía posteriormente a una arquitectura multietapa para incrementar el ancho de banda (BW). El diseño se ha implementado en tecnología CMOS de 65 nm, considerando modelos validados a bajas temperaturas. Las simulaciones han mostrado una ganancia de 31.6 dB, un ancho de banda de 3 GHz (en el rango de 3 a 6 GHz), una figura de ruido (NF) inferior a 5 dB en ese rango de frecuencias, un punto de intercepción de tercer orden referido a la entrada (IIP3) igual a -19.3 dBm, y un consumo inferior a 30 mW, cumpliendo así los requisitos exigidos para su integración en sistemas de computación cuántica.
En esta tesis se ha pretendido realizar y testar los componentes basicos necesarios de un futuro ordenador cuantico usando para ello moleculas magneticas sencillas. Con este fin se ha comprobado que estas moleculas cumplen con los tres ingredientes principales que necesita reunir un buen candidato: qubits bien definidos y diferenciables, coherencia cuantica y la posibilidad de acoplarse a dispositivos. Tambien se ha estudiado, por tanto, si estas moleculas conservan sus propiedades magneticas, tales como el espin, la anisotropia magnetica, la interaccion entre distintos iones, etc., cuando se integran en un sensor. El trabajo que aqui se presenta se divide fundamentalmente en tres partes. Desarrollo, mejora y testado de dispositivos superconductores de interferencia cuantica (SQUID) En esta parte de la tesis se realiza un analisis detallado de varios modelos de dispositivos pertenecientes a nueva generacion de susceptometros SQUID, especialmente disenados para medir las propiedades magneticas de muestras de tamano micrometrico, hasta 30 um de diametro (capitulo 3). En particular, presentamos un estudio del ruido de estos sensores, teniendo en cuenta las distintas contribuciones extrinsecas al SQUID y provenientes de la electronica. Tambien se estudia la posibilidad de incluir una etapa amplificadora de bajo ruido, que permita reducir esta contribucion. Por otro lado, se ha hecho un cuidadoso analisis sobre el origen de la respuesta magnetica de los susceptometros vacios, con el fin de llegar a un protocolo comun de tratamiento de los datos de susceptibilidad ac obtenidos para distintas muestras. Por ultimo, y con el objetivo de mejorar la sensibilidad de los sensores en la deteccion de muestras de tamano nanometrico, en este trabajo se presenta la realizacion mediante Focused Ion Beam (FIB) de una nanoespira de unos 500 nm de diametro, en serie con la bobina detectora del SQUID. Esta nanoespira permite mejorar la sensibilidad del dispositivo en esa zona. Para comprobarlo, se incluyen varias medidas con muestras cuyo comportamiento magnetico es conocido. Caracterizacion de cristales de moleculas magneticas con los que se pueden llevar a cabo puertas logicas computacionales La segunda parte incluye un estudio de imanes moleculares que contienen uno, dos o tres espines magneticos debilmente acoplados, con el fin de comprobar que pueden utilizarse para llevar a cabo las operaciones basicas de computacion cuantica. Por un lado, se estudian dimeros constituidos por dos iones Ln(III) donde Ln es un lantanido (capitulo 4). Cada uno de los espines que forman el dimero tiene una estructura de niveles tal que los dos niveles de menor energia estan fuertemente separados de los niveles superiores, formando, por tanto, sistemas de dos niveles efectivos o qubits. Por otro lado, estos espines estan debilmente acoplados entre si, lo que constituye un sistema de cuatro niveles entrelazados con los que es posible realizar puertas cuanticas de dos qubits, en particular las puertas CNOT y SWAP. En esta tesis se presentan los primeros resultados de realizacion de estas puertas, en los dimeros de Tb2, Dy2 y ErCe. En cuanto a los trimeros, o imanes moleculares con tres espines magneticos, en esta tesis se presenta un estudio para el trimero compuesto por dos iones Cu(II) y un ion Er(III) (capitulo 5). En primer lugar se analiza el comportamiento magnetico de los dos iones de cobre en el trimero CuLaCu, donde el ion La(III) es diamagnetico, y se comprueba que existe un acoplo entre sus espines, permitiendo la realizacion de puertas de dos qubits, tambien para este material. Incluyendo la informacion obtenida para este compuesto, se presenta por ultimo un analisis del comportamiento magnetico del trimero CuErCu constatando la existencia de un acoplo muy debil entre los iones cobre (II) y el ion erbio y, por tanto, la posibilidad de realizar puertas cuanticas de tres qubits, como las puertas Fredkin y Toffoli. Estudio de procesos de relajacion magnetica y deposicion de imanes moleculares sobre superficies Esta ultima parte pretende aunar las dos partes anteriores, depositando las moleculas estudiadas en la parte anterior sobre los dispositivos superconductores del principio mediante la tecnica de Dip-Pen Nanolitography (DPN). La intencion ultima es comprobar si estas moleculas mantienen sus propiedades magneticas al ser sometidas a los efectos de un sustrato solido ajeno a su estructura cristalina, y comprobar si se trata de sistemas lo suficientemente coherentes como para realizar operaciones cuanticas sin que los estados se degraden demasiado rapido. En primer lugar, en el capitulo 6 se presenta un estudio de los procesos de relajacion de estas moleculas en su estado original, atendiendo al origen y las causas de estos procesos. Para ello se ofrecen los resultados en una serie de muestras en las que hay cada vez mas niveles accesibles, partiendo de un monomero ErLa con un solo espin magnetico y sin apenas interacciones hiperfinas, hasta llegar al caso de un dimero con dos espines magneticos y una considerable contribucion nuclear, Dy2. Una vez entendidos los procesos de relajacion en las muestras cristalinas, se han depositado unas pocas monocapas de estas muestras sobre los SQUID utilizando la tecnica DPN, con el fin de comprobar su integridad fisica (capitulo 7). En particular se describen experimentos para dos muestras diferentes, un iman molecular cuyo comportamiento es bastante conocido, el Mn12, y un dimero de Dy2. En este capitulo se muestran los resultados de las medidas de susceptibilidad ac en comparacion con las medidas previas, realizadas sobre microcristales.
El avance de la ciencia depende en gran parte de la tecnología desarrollada en el momento. La aplicación de los instrumentos astronómicos es clave para obtener información y comprender el origen, el funcionamiento y el posible final del cosmos. El estudio del cosmos, por tanto, se basa en el análisis de la radiación electromagnética recibida desde el exterior de nuestro planeta. Esto se consigue, entre otros instrumentos, a través de los detectores superconductores de inductancia cinética (KID en inglés, Kinetic Inductance Detector), que a día de hoy es la tecnología punta para la detección de fotones en la banda de las microondas y de la que se hablará a lo largo de este trabajo. Hoy en día, el uso de los KIDs es fundamental para realizar estudios sobre algunos tipos de radiación como el Cosmic Microwave Background (CMB), que proporciona información única para profundizar en el conocimiento del pasado del universo. De este modo, en este estudio se pretende específicamente en caracterizar un parámetro indispensable para la detección eficiente de fotones con los KIDs, la sensibilidad.
Este trabajo esta relacionado con una linea fundamental de la Fisica-Quimica moderna: la evolucion de sistemas moleculares disipativos. La utilizacion de modelos conservativos ha procurado que el hombre amplie su conocimiento e informacion acerca de una gran diversidad de fenomenos y procesos que acontecen en la naturaleza. Estos modelos constituyen la aproximacion de orden cero en la descripcion de cualquier fenomeno, sin embargo, estos ultimos raras veces son conservativos. La disipacion de energia en la naturaleza ha permitido desarrollar un gran numero de aplicaciones tecnologicas que van desde el aprovechamiento del calor de Joule en la conduccion de la corriente electrica hasta el diseno y construccion de los autos modernos con materiales que se deforman ante los impactos y absorben gran cantidad de la energia durante esos eventos. La descripcion teorica de la dinamica disipativa de la difusion de adsorbatos sobre diferentes superficies se ha logrado en los ultimos anos [1]. La presencia de los picos Q y T en la funcion de dispersion ha sido recientemente investigada usando simulaciones de dinamica de Langevin (disipativa) [1]. En este trabajo hemos realizado una dinamica cuantica de propagacion de paquetes de ondas centrados en los adsorbatos que se difunden, hemos propuesto una expresion para la funcion cuantica de dispersion intermedia y hemos analizado diferentes situaciones en funcion de la temperatura. Igualmente en el trabajo se recoge una discusion exhaustiva sobre las manifestaciones de los efectos Zeno y anti Zeno. El ensanchamiento del pico Q de la funcion cuantica de dispersion implica un decaimiento muy rapido de la funcion de dispersion intermedia, que podria estar provocado por la manifestacion del efecto anti Zeno [2]. Los medios viscosos clasicos son bastantes comunes en nuestras vidas. Sin embargo, inusualmente utilizamos estos medios en la mecanica cuantica, y mucho menos estudiamos sus efectos en la dinamica de los sistemas cuanticos. Desde este punto de vista, el Hamiltoniano de Caldirola–Kanai, dependiente del tiempo, constituye un modelo atractivo para considerar la friccion sin incluir las fluctuaciones del medio (puro disipativo). Con nuestro trabajo hemos realizado un analisis, utilizando las trayectorias Bohmianas, de la dinamica de paquetes de ondas en presencia de friccion, para entender como un medio cuantico viscoso hipotetico actuaria sobre el paquete desde un punto de vista cuantico. Con este objetivo se seleccionaron una serie de sistemas modelos como la particula libre, la particula que se mueve en un potencial lineal, la particula que se mueve en un potencial armonico amortiguado y la superposicion de dos paquetes de ondas coherentes. Estos modelos ilustran comportamientos emergentes como la localizacion por ‘‘quantum freezing’’ [3]. Los sistemas quirales pueden ser descritos fenomenologicamente a traves de un potencial de doble pozo. Asociado a cada pozo esta un estado del sistema L-left o R-right por sus nombres en ingles. Estos sistemas se relacionan con las sustancias opticamente activas y los estados antes mencionados se asocian a las sustancias levogiras (L) o dextrogiras (R). Un sistema racemico esta formado por la misma cantidad de moleculas en los estados L y R. Estos sistemas no son opticamente activos y se describen con un potencial de doble pozo simetrico. Sin embargo, la deduccion teorica de la presencia de interacciones electrodebiles entre los nucleos y electrones de las moleculas, nos indica que una mejor descripcion del sistema se realizaria considerando el doble pozo asimetrico. Es decir, para esta situacion predominaria un tipo de enantiomero sobre el otro. Hoy en dia uno de los grandes retos de la comunidad cientifica es la medicion de la diferencia de energia de los dos enantiomeros (diferencia de energia entre los dos pozos). En el conjunto de trabajos que presentamos utilizamos una formulacion canonica para la descripcion de los sistemas quirales, considerando inicialmente una disipacion pura, y posteriormente incluyendo las fluctuaciones de un medio (bano termico). Esta formulacion se obtiene de aplicar el modelo de sistema de dos estados. Presentamos una direccion de trabajo para la determinacion de la diferencia de energia entre los enantiomeros midiendo la fase geometrica [4]. Realizamos un estudio de diferentes funciones de acoplamientos entre el sistema quiral y el bano termico para el caso disipativo puro, asi como un analisis de la estabilidad de las soluciones en funcion de los parametros que rigen la dinamica de las poblaciones de los enantiomeros, para los casos aislados y disipativos puros. Incluimos un ruido blanco gaussiano y realizamos la dinamica estocastica del sistema [5,6]. En la evolucion del sistema encontramos los dos regimenes descritos en la literatura en funcion de la temperatura, coherente e incoherente [7]. En todos los casos el sistema tiende al equilibrio termodinamico descrito analiticamente por medio de integrales de camino [7,8].
Esta tesis aborda el estudio y desarrollo de dispositivos ópticos integrados para la generación de fotones mediante procesos no lineales de tercer orden, con aplicaciones en el campo de la fotónica cuántica. En la actualidad, el estudio de fuentes de fotones individuales integradas ha cobrado gran relevancia debido a sus ventajas inherentes, tales como la miniaturización y la compatibilidad con las tecnologías de microfabricación derivadas de la microelectrónica. Además, el uso de materiales con propiedades no lineales, como el silicio, el nitruro de silicio y el niobato de litio, ha impulsado nuevas oportunidades en el diseño y fabricación de dispositivos fotónicos. El trabajo se divide en dos ejes principales. Por un lado, el diseño, fabricación y caracterización de dispositivos propios, eje desarrollado en el grupo de Fotónica Integrada del Centro de Investigaciones Ópticas, con la fabricación de dispositivos en el foundry CORNERSTONE. Y por otro, la caracterización de dispositivos complejos en colaboración con el Quantum Photonics Laboratory de la Universidad de Pavia, Italia. Inicialmente, se exploraron las herramientas de simulación disponibles para el diseño de dispositivos fotónicos integrados y se realizó una revisión exhaustiva del estado del arte sobre generación de fotones en plataformas fotónicas. A partir de estos estudios, se diseñaron circuitos fotónicos basados en anillos resonadores y acopladores interferométricos resonantes, optimizados para la generación de pares de fotones mediante el proceso de mezclado de cuatro ondas espontáneo (SFWM). Los dispositivos fueron fabricados utilizando tecnologías de silicio sobre aislante y nitruro de silicio, con distintas estrategias de acople y configuraciones de guías de onda. Posteriormente, se llevaron a cabo caracterizaciones experimentales tanto lineales como no lineales para evaluar la eficiencia y pureza espectral de las fuentes de fotones. Entre los resultados obtenidos, se destaca la optimización de parámetros clave, como el factor de calidad de los resonadores y la tasa de coincidencia de pares de fotones, fundamentales para aplicaciones en información cuántica.