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Caracterización de la sensibilidad de detectores de inductancia cinética de microondas superconductores (MKIDs)

Adnan al Drobi El Harti

Published Dec 18, 2025• 0 citations
OpenAlex

Abstract

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.

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Cryogenic system for high sensitivity microwave receivers

Pablo Ibáñez Campo

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).

•Sep 1, 2023•0 citations

Readout system from 300 MHz to 6 GHz for kinetic inductance detectors

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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.

•Jul 18, 2025•0 citations

Quantum computing with molecular magnets

Ana María Repollés Rabinad

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.

•Jul 12, 2016•3 citations

MKIDs : Nouveaux détecteurs supraconducteurs ultrasensibles pour l’astronomie

Faouzi M. Boussaha, Jie Hu, Jean-Marc Martin +3 more

Dans cet article, nous présentons les MKIDs, pour « Microwave Kinetic Inductance Detectors », une nouvelle technologie de détecteur supraconducteur ultrasensible capable de détecter le photon et permettant de couvrir un large spectre électromagnétique allant des ondes millimétriques-submillimétriques aux rayons gamma, en passant par l’optique.

Photoniques•Jan 1, 2022•0 citations

Entanglement, quantum phase transitions and quantum algorithms

Román Orús

Desde las pioneras ideas de Feynman hasta el dia de hoy, la informacion y computacion cuanticas han evolucionado de forma veloz. Siendo la mecanica cuantica en sus origenes considerada esencialmente como un marco teorico en el que poder explicar ciertos procesos fundamentales que acontecian en la Naturaleza, fue durante los anos 80 y 90 cuando se empezo a pensar sobre el comportamiento intrinsecamente cuantico del mundo en el que vivimos como una herramienta con la que poder desarrollar tecnologias de la informacion mas potentes, basadas en los mismos principios de la fisica cuantica. Tal y como Landauer dijo, la informacion es fisica, por lo que no debe en absoluto extranarnos el que se intentara comulgar la mecanica con la teoria del a informacion. Y nada mas lejos de la realidad, pues pronto se vio que era posible utilizar las leyes de la fisica cuantica para realizar tareas inconcebibles desde un punto de vista clasico. Por ejemplo, el descubrimiento de la teleportacion, la codificacion superdensa, la criptografia cuantica, el algoritmo de factorizacion de Shor o el algoritmo de busqueda de Grover, constituyen algunos de los logros remarcables que han atraido la atencion de mucha gente, dentro y fuera de la ciencia. Queda la informacion cuantica, pues, constituida como un campo genuinamente plurisdiciplinar, en el que se concentran investigadores provenientes de diferentes ramas de la fisica, las matematicas y la ingenieria. Mientras en sus origenes era la informacion cuantica quienes e beneficiaba del conocimiento de otros campos, a dia de hoy las herramientas desarrolladas en el marco de la teoria cuantica de la informacion pueden ser asimismo usadas en el estudio de problemas de diferentes areas, como la fisica de muchos cuerpos o la teoria cuantica de campos. Ello es debido al estudio detallado que la informacion cuantica desarrolla de las correlaciones cuanticas, o entrelazam

•Jul 20, 2006•3 citations

Developments of Superconducting Microwave Kinetic Inductance Detectors (MKID) for Measurements of Cosmic Microwave Background (CMB) Polarization

S. Mima, Otani Chiko, Kensuke Koga +2 more

IEICE Technical Report; IEICE Tech. Rep.•Apr 12, 2013•0 citations
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.
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 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.
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.
Desde las pioneras ideas de Feynman hasta el dia de hoy, la informacion y computacion cuanticas han evolucionado de forma veloz. Siendo la mecanica cuantica en sus origenes considerada esencialmente como un marco teorico en el que poder explicar ciertos procesos fundamentales que acontecian en la Naturaleza, fue durante los anos 80 y 90 cuando se empezo a pensar sobre el comportamiento intrinsecamente cuantico del mundo en el que vivimos como una herramienta con la que poder desarrollar tecnologias de la informacion mas potentes, basadas en los mismos principios de la fisica cuantica. Tal y como Landauer dijo, la informacion es fisica, por lo que no debe en absoluto extranarnos el que se intentara comulgar la mecanica con la teoria del a informacion. Y nada mas lejos de la realidad, pues pronto se vio que era posible utilizar las leyes de la fisica cuantica para realizar tareas inconcebibles desde un punto de vista clasico. Por ejemplo, el descubrimiento de la teleportacion, la codificacion superdensa, la criptografia cuantica, el algoritmo de factorizacion de Shor o el algoritmo de busqueda de Grover, constituyen algunos de los logros remarcables que han atraido la atencion de mucha gente, dentro y fuera de la ciencia. Queda la informacion cuantica, pues, constituida como un campo genuinamente plurisdiciplinar, en el que se concentran investigadores provenientes de diferentes ramas de la fisica, las matematicas y la ingenieria. Mientras en sus origenes era la informacion cuantica quienes e beneficiaba del conocimiento de otros campos, a dia de hoy las herramientas desarrolladas en el marco de la teoria cuantica de la informacion pueden ser asimismo usadas en el estudio de problemas de diferentes areas, como la fisica de muchos cuerpos o la teoria cuantica de campos. Ello es debido al estudio detallado que la informacion cuantica desarrolla de las correlaciones cuanticas, o entrelazam