Nonlinear couplings for quantum control of superconducting qubits and electrical/mechanical resonators

Marios Kounalakis

Published Dec 1, 2019• 0 citations

Abstract

Αυτή η διατριβή διερευνά τις μη γραμμικές συζεύξεις σε υπεραγώγιμα κυκλώματα με στόχο την επίτευξη του κβαντικού ελέγχου των στοιχειωδών διεγερμένων καταστάσεων του φωτός και της μηχανικής κίνησης. Αποτελείται κυρίως από τρεις ερευνητικές ενότητες. Η πρώτη ενότητα αφορά την πειραματική υλοποίηση ενός νέου τρόπου μεταβλητής σύζευξης δύο transmon qubits (κβαντοδυφίων), το οποίο οδηγεί στην επίτευξη διαφορετικών αλληλεπιδράσεων με ρυθμιζόμενες αναλογίες μεταξύ τους. Αυτή η δυνατότητα ρύθμισης σε συνδυασμό με την ευέλικτη γεωμετρία της δίαταξης και τον μεγάλο χρόνο ημιζωής των κβαντοδυφίων, την καθιστούν ένα ενδιαφέρον δομικό στοιχείο για αναλογικούς κβαντικούς προσομοιωτές μιας σειράς πολύπλοκων προβλημάτων. Η δεύτερη ενότητα αφορά δύο θεωρητικές προτάσεις για τον έλεγχο μηχανικών ταλαντωτών χρησιμοποιώντας transmon qubits (κβαντοδυφία). Στο πρώτο μέρος αναλύουμε ένα ηλεκτρομηχανικό κύκλωμα που οδηγεί σε ρυθμιζόμενες τριμερείς αλληλεπιδράσεις μεταξύ δύο κβαντοδυφίων και ενός μηχανικού ταλαντωτή. Εξετάζονται διάφορα πρωτόκολλα, τα οποία επιτυγχάνουν την ψύξη στη θεμελιώδη κατάσταση και τη δημιουργία κβαντικών μηχανικών καταστάσεων υπέρθεσης ενός και πολλαπλών φωνονίων, καθώς και την κβαντική σύμπλεξη (entanglement) κβαντοδυφίου–φωνονίου. Επιπλέον, διερευνώνται σχήματα για τη δημιουργία γενικών κβαντικών καταστάσεων κίνησης. Το δεύτερο μέρος βασίζεται στην ίδια μέθοδο σύζευξης ενός μηχανικού ταλαντωτή με ένα κβαντοδυφίο και εξετάζει το σύστημα υπό το καθεστώς υπερ-ισχυρής σύζευξης (ultrastrong coupling), όπου η συχνότητα της οπτομηχανικής αλληλεπίδρασης προσεγγίζει ή ακόμη και υπερβαίνει τη συχνότητα μηχανικής ταλάντωσης. Δείχνουμε ότι για ορισμένες τιμές σύζευξης είναι δυνατή η ψύξη στη θεμελιώδη κατάσταση και σχεδιάζουμε ένα πρωτόκολλο για τη δημιουργία μακροσκοπικών κβαντικών καταστάσεων υπέρθεσης, γνωστών ως «γάτες Schrödinger», στον μηχανικό ταλαντωτή. Τέλος, η τρίτη ενότητα της διατριβής αφορά ένα πείραμα στο οποίο ένα ψυχρό υπεραγώγιμο κβαντοδυφίο χρησιμοποιείται για την ανάγνωση και τον έλεγχο ενός ταλαντωτή ραδιοσυχνοτήτων σε υψηλή θερμική κατάσταση, μέσω ισχυρής σύζευξης. Με τη χρήση τεχνικών reservoir engineering, επιτυγχάνουμε την ψύξη στη θεμελιώδη κατάσταση καθώς και τη σταθεροποίηση κβαντικών καταστάσεων Fock στον ταλαντωτή, ανοίγοντας έτσι ένα νέο πεδίο λειτουργίας των κυκλωμάτων κβαντικής ηλεκτροδυναμικής.

DOI: 10.12681/eadd/61885

Related papers

A study of quantum circuits based on semiconductor structures

Prousalis Konstantinos

Μια μελέτη εκπονείται επάνω στο κβαντικό κυκλωματικό μοντέλο δίνοντας ιδιαίτερη βαρύτητα στο πρόβλημα του κβαντικού θορύβου επάνω σε τεχνολογίες βασισμένες στις κβαντικές διατάξεις ημιαγωγών. Σε υπολογιστικά συστήματα μεγαλύτερης κλίμακας απαιτούνται τεχνολογίες ανθεκτικές στο θόρυβο έτσι ώστε να επιτυγχάνεται το κατώτερο ανεκτό επίπεδο θορύβου που θα εξασφαλίζει αξιόπιστο υπολογισμό. Ένα λογισμικό εργαλείο σχεδίασης κβαντικών κυκλωμάτων με αυτοματισμούς στο όνομα QuCirDET έχει αναπτυχθεί ώστε να προσφέρει εύκολη σχεδίαση λογικών κυκλωμάτων μαζί με την ενσωμάτωση πρωτόκολλων διόρθωσης σφάλματος. Ο χρήστης πρώτα σχεδιάζει το λογικό κύκλωμα, επιλέγει το επιθυμητό πρωτόκολλο διόρθωσης σφάλματος και έπειτα δημιουργεί αυτόματα το κωδικοποιημένο κύκλωμα. Αυτός ο αυτοματισμός θα προσφέρει μια εποπτική εικόνα του κωδικοποιημένου κυκλώματος για περαιτέρω μελέτη. Η γραφική διεπαφή σχεδίασης είναι ανοιχτού κώδικα και ελεύθερα διαθέσιμη να εμπλουτιστεί από τον οποιονδήποτε με νέα λογισμικά αρθρώματα προσομοίωσης. Ένα παράδειγμα ενός τέτοιου αρθρώματος παρουσιάζεται που προσομοιώνει τη συμπεριφορά κβαντικού θορύβου. Ο χρόνος επιβίωσης στο θόρυβο ενός κβαντικού καταχωρητή μνήμης εξαρτάται από τη τεχνολογία που χρησιμοποιείται. Για να πετύχουμε στην εξομοίωση του θορύβου μια προσέγγιση μεγαλύτερης ευαισθησίας κάνουμε τη θεώρηση ενός μετρικού συστήματος από μονάδες θορύβου που δρουν αθροιστικά και εφαρμόζουμε τη μέθοδο Monte Carlo. Η μέθοδος εφαρμόζει επάνω στο πρωτόκολλο αποσφαλμάτωσης του Steane για κώδικες stabilizer και η απόδοση αποτιμάται μέσα από τον υπολογισμό ορίων ανοχής του θορύβου. Ένα άλλο ξεχωριστό χαρακτηριστικό είναι ο υπολογισμός της επιδείνωσης του θορύβου προσομοιώνοντας την εξέλιξή του μέσα στο κβαντικό υπολογισμό. Ορισμένα συγκριτικά αποτελέσματα για διαφορετικά πρωτόκολλα παρουσιάζονται. Στη συνέχεια, η πολύπλοκη δομή της κβαντικής τελείας προσομοιώνεται λαμβάνοντας υπόψη τις διάφορες αλληλεπιδράσεις που ασκούνται από τον περίγυρo της κβαντικής τελείας. Ένα ξεχωριστό υποπρόγραμμα εξομοίωσης αναπρύχθηκε να μιμιθεί τη συμπεριφορά του θορύβου του ηλεκτρικού φορτίου και των ιδιοστροφορμών (spin) των πυρήνων που παράγονται με τυχαίο τρόπο μέσα στο ισοτροπικό ημιαγώγιμο υλικό 28Si. Η Monte Carlo μέθοδος χρησιμοποιείται κι εδώ ώστε να υπολογίσει τα επιπεδα θορύβου μέσα στην τελεία με ακρίβεια. Η προσομοίωση συνεχίζεται με το πρωτόκολλο του Steane και το μετρικό σύστημα επιδείνωσης. Κι εδώ δύο κώδικες της οικογένειας surface επιλέγονται να συγκριθούν και τα αποτελέσματα παρουσιάζονται. Τέλος, μια μελέτη περίπτωσης ολοκληρώνεται επάνω σε ένα κβαντικό κύκλωμα. Το κύκλωμα εξετάζεται από πλευράς κατανάλωσης πόρων, χρόνου εκτέλεσης και αντοχής θορύβου. Ο χρόνος εκτέλεσης και η αντοχή στο θόρυβο υπολογίζονται και συγκρίνονται με δύο άλλα γνωστά μοντέλα κβαντικού υπολογισμού όπως: τα υπεραγώγιμα transmon qubits και τις παγίδες ιόντων. Οι μέθοδοι εξομοίσης του QuCirDET χρησιμοποιούνται για να παραχθούν τα αποτελέσματα απόδοσης. Το κβαντικό κύκλωμα της μελέτης αποτελεί μέρος μιας από τις δυο μεθόδους που προτείναμε για τη βελτίωση του προβλήματος της στοίχισης αλληλουχιών. Και οι δυο μέθοδοι συμβάλουν σημαντικά στη βελτίωση της στοίχισης μεταξύ δύο αλληλουχιών. Ο QuCirDET θα πρέπει να βελτιωθεί προς διάφορες κατευθύνσεις ώστε να χρησιμοποιηθεί για περαιτέρω μελέτη και ανάλυση πρωτόκολλων διόρθωσης σφαλμάτων.

Jul 1, 20190 citations

Design and synthesis of efficient circuits for quantum computers

Αρχιμήδης Παυλίδης

Οι πρόσφατες εξελίξεις στον τομέα της πειραματικής κατασκευής κβαντικών υπολογιστών με εξαρτήματα αυξημένης αξιοπιστίας δείχνει ότι η κατασκευή τέτοιων μεγάλων μηχανών βασισμένων στις αρχές της κβαντικής φυσικής είναι πιθανή στο κοντινό μέλλον. Καθώς το μέγεθος των μελλοντικών κβαντικών υπολογιστών θα αυξάνεται, η σχεδίαση αποδοτικότερων κβαντικών κυκλωμάτων και μεθόδων σχεδίασης θα αποκτήσει σταδιακά πρακτικό ενδιαφέρον. Η συνεισφορά της διατριβής στην κατεύθυνση της σχεδίασης αποδοτικών κβαντικών κυκλωμάτων είναι διττή: Η πρώτη είναι η σχεδίαση καινοτόμων αποδοτικών αριθμητικών κβαντικών κυκλωμάτων βασισμένων στον Κβαντικό Μετασχηματισμό Fourier (QFT), όπως πολλαπλασιαστής-με-σταθερά-συσσωρευτής (MAC) και διαιρέτης με σταθερά, με γραμμικό βάθος (ή ταχύτητα) ως προς τον αριθμό ψηφίων των ακεραίων. Αυτά τα κυκλώματα συνδυάζονται αποτελεσματικά ώστε να επιτελέσουν την πράξη του modulo πολλαπλασιασμού με σταθερά με γραμμική πολυπλοκότητα χρόνου και χώρου και συνεπώς μπορούν να επιτελέσουν την πράξη της modulo εκθετικοποίησης (modular exponentiation) με τετραγωνική πολυπλοκότητα χρόνου και γραμμική πολυπλοκότητα χώρου. Οι πράξεις της modulo εκθετικοποίησης και του modulo πολλαπλασιασμού είναι αναπόσπαστα μέρη του σημαντικού κβαντικού αλγορίθμου παραγοντοποίησης του Shor, αλλά και άλλων κβαντικών αλγορίθμων της ίδιας οικογένειας, γνωστών ως κβαντική εκτίμηση φάσης (Quantum Phase Estimation). Αντιμετωπίζονται με αποτελεσματικό τρόπο σημαντικά προβλήματα υλοποίησης, που σχετίζονται με την απαίτηση χρήσης κβαντικών πυλών περιστροφής υψηλής ακρίβειας, καθώς και της χρήσης τοπικών επικοινωνιών. Η δεύτερη συνεισφορά της διατριβής είναι μία γενική μεθοδολογία ιεραρχικής σύνθεσης κβαντικών και αντιστρέψιμων κυκλωμάτων αυθαίρετης πολυπλοκότητας και μεγέθους. Η ιεραρχική μέθοδος σύνθεσης χειρίζεται καλύτερα μεγάλα κυκλώματα σε σχέση με τις επίπεδες μεθόδους σύνθεσης. Η προτεινόμενη μέθοδος προσφέρει πλεονεκτήματα σε σχέση με τις συνήθεις ιεραρχικές συνθέσεις που χρησιμοποιούν την μέθοδο "υπολογισμός-αντιγραφή-αντίστροφος υπολογισμός" του Bennett.

Dec 1, 20160 citations

Quantum optical description of high-harmonic generation

Nikolaos Tsatrafyllis

Ο σκοπός αυτής της διατριβής, είναι η κβαντική–οπτική περιγραφή της αλληλεπίδρασης ισχυρού πεδίου λέϊζερ–ατόμου. Χρησιμοποιώντας μία πλήρη κβαντομηχανική προσέγγιση (πιο συγκεκριμένα, θεωρώντας σύμφωνη κατάσταση για το πεδίο του λεϊζερ) για την περιγραφή των αρμονικών υψηλής τάξης, παραγώμενες από την αλληλεπίδραση ενός ισχυρού υπέρυθρου πεδίου λεϊζερ με άτομα, καταγράψαμε το φάσμα των αρμονικών χωρίς τη χρήση συμβατικού φασματόμετρου ακραίας υπεριώδους φασματικής περιοχής. Αυτό επιτεύχθηκε, με τη χρήση στατιστικής φωτονίων στην κατάσταση του υπέρυθρου φωτός που εξέρχεται από το αέριο μέσο. Βρέθηκε ότι η ακτινοβολία έχει μια ξεχωριστή μη–κλασσική συμπεριφορά, καθώς η κατανομή φωτονίων αποτελείται από μία σειρά καλά καθορισμένων κορυφών, οι οποίες αντιστοιχούν στο φάσμα των αρμονικών υψηλής τάξης. Αυτή η εργασία συνθέτει τα πεδία της φυσικής ισχυρού πεδίου και κβαντικής οπτικής και ανοίγει το δρόμο για μελέτες στην επιστήμη των αττοδευτερολέπτων, χρησιμοποιώντας συμβατικά διαγνωστικά υπέρυθρης ακτινοβολίας.

Jun 1, 20180 citations

Efficient four-wave mixing in four-subband semiconductor quantum wells using spatially modulated control fields

Φωτεινή Αβούρη

Σε αυτήν τη διπλωματική εργασία προτείνουμε μια μέθοδο για την αύξηση της απόδοσης της μίξης τεσσάρων κυμάτων (FWM) σε ημιαγώγιμα κβαντικά πηγάδια τεσσάρων καταστάσεων που βασίζεται σε μεταβάσεις μεταξύ υποζωνών. Η αυξημένη απόδοση της προτεινόμενης μεθόδου οφείλεται στη χρήση χωρικά διαμορφωμένων πεδίων ελέγχου σε αντίθεση με τα χωρικά αμετάβλητα πεδία ελέγχου που έχουν χρησιμοποιηθεί σε παλιότερες μελέτες. Η επιλογή των πεδίων ελέγχου γίνεται με χρήση της θεωρίας βέλτιστου ελέγχου, ώστε να μεγιστοποιούν την απόδοση μετατροπής του πεδίου ανιχνευτή σε πεδίο σήματος, για δεδομένο μήκος διάδοσης. Τα βέλτιστα πεδία προσδιορίζονται χρησιμοποιώντας μια απλοποιημένη εκδοχή των εξισώσεων διάδοσης, αλλά ελέγχονται χρησιμοποιώντας το πλήρες σύστημα των εξισώσεων Maxwell-Schrödinger που περιγράφουν τη διάδοση στο κβαντικό σύστημα. Με χρήση αριθμητικών προσομοιώσεων δείχνουμε ότι η προτεινόμενη μέθοδος επιτυγχάνει υψηλή απόδοση μετατροπής ακόμα και για σχετικά μικρές αποστάσεις διάδοσης (88% για 5 nm), ενώ η απόδοση προσεγγίζει το 100% για μεγαλύτερες αποστάσεις. Η παρούσα εργασία αναμένεται να βρει εφαρμογή στη σχεδίαση αποδοτικών συσκευών μετατροπής συχνότητας και τροχιακής στροφορμής μεταξύ δεσμών φωτός, καθώς και στην κβαντική επεξεργασία πληροφορίας.

Oct 31, 20230 citations

Controlled dynamics of quantum systems strongly coupled with nanostructures

Αθανάσιος Σμπόνιας

Ένας σχετικά νέος τομέας ενεργής έρευνας που συνδυάζει την κβαντική οπτική, τη νανοφωτονική και την κβαντική τεχνολογία ασχολείται με τη μελέτη των οπτικών ιδιοτήτων πολύπλοκων φωτονικών δομών που περιέχουν κβαντικά συστήματα, όπως είναι οι κβαντικές τελείες ημιαγωγών και οι πλασμονικές νανοδομές. Η παρούσα διδακτορική διατριβή εμπίπτει σε αυτό το ερευνητικό πεδίο και παρουσιάζει μια θεωρητική και υπολογιστική μελέτη της οπτικά ελεγχόμενης δυναμικής ημιαγώγιμων κβαντικών τελειών ισχυρά συνδεδεμένων με πλασμονικές νανοδομές. Συγκεκριμένα, μελετάται η ελεγχόμενη μεταφορά πληθυσμών σε καταστάσεις εξιτονίων και δι-εξιτονίων σε ημιαγωγικές κβαντικές τελείες υπό την επίδραση μιας πλασμονικής νανοδομής, χρησιμοποιώντας τόσο συμβατικές όσο και νέες μεθόδους κβαντικού ελέγχου, όπως είναι η χρήση αναλυτικά παραγόμενων παλμών συγκεκριμένου σχήματος, εφαρμογή της μεθόδου ταχείας αδιαβατικής μεταφοράς (εφαρμογή παλμών chirped), εφαρμογή μεθόδων που βασίζονται σε συντομεύσεις της αδιαβατικότητας και εφαρμογή ειδικά σχεδιασμένων παλμών on-off. Προκειμένου να μελετήσουμε τη συνεκτική αλληλεπίδραση των ηλεκτρομαγνητικών πεδίων με τις συζευγμένες κβαντικές-πλασμονικές νανοδομές συνδυάζουμε υπολογισμούς κβαντικής δυναμικής με ηλεκτρομαγνητικούς υπολογισμούς και επιλύουμε τις σχετικές εξισώσεις πινάκων πυκνότητας. Τα αποτελέσματα της διδακτορικής διατριβής μπορούν να χρησιμοποιηθούν τόσο για την υλοποίηση γρήγορων οπτικών διακοπτών και ευαίσθητων αισθητήρων στη νανοκλίμακα, όσο και για θεμελιώδη προβλήματα της κβαντικής τεχνολογίας, όπως είναι η ελεγχόμενη δυναμική των κβαντικών bits και η παραγωγή περιπλεγμένων ή μεμονωμένων φωτονίων.

Sep 1, 20230 citations

Generation of optical Schrödinger ‘cat’ and entangled states using intense laser-atom interactions

Theocharis Lamprou

Η αλληλεπίδραση των ατόμων με ισχυρούς παλμούς λέιζερ οδηγεί στη δημιουργία υψηλών αρμονικών, όπου τα χαμηλής συχνότητας φωτόνια ενός πεδίου λέιζερ μετατρέπονται σε φωτόνια υψηλότερων συχνοτήτων. Η διαδικασία αυτή είναι μια από τις πιο θεμελιώδεις διαδικασίες στη φυσική των ισχυρών λέιζερ. Έχει χρησιμοποιηθεί σε πολυάριθμα συναρπαστικά επιτεύγματα στην ατομική, μοριακή και οπτική φυσική και αποτελεί τον πυρήνα της επιστήμης των αττοδευτερολέπτων. Μέχρι πρόσφατα, η διαδικασία της Υψηλής Αρμονικής Παραγωγής περιγραφόταν επιτυχώς με κλασικές ή ημι-κλασικές προσεγγίσεις ισχυρού πεδίου, οι οποίες αντιμετωπίζουν το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο κλασικά. Αυτό άλλαξε πρόσφατα. Στις πρόσφατες θεωρητικές και πειραματικές έρευνές μας, που πραγματοποιήθηκαν με τη χρήση πλήρως κβαντομηχανικών προσεγγίσεων σε έντονες αλληλεπιδράσεις λέιζερ-ατόμων, δείξαμε ότι οι κβαντικές λειτουργίες στη διαδικασία της υψηλής αρμονικής παραγωγής, μπορούν να οδηγήσουν στη δημιουργία οπτικών καταστάσεων "γάτας" Schrödinger και διεμπλεκόμενων καταστάσεων φωτός με ελεγχόμενα κβαντικά χαρακτηριστικά. Εδώ, περιγράφω αυτές τις εξελίξεις δίνοντας έμφαση στα πρόσφατα ευρήματά μας σχετικά με την παραγωγή έντονων οπτικών καταστάσεων "γάτας" για εφαρμογές στη μη γραμμική οπτική. Τα ευρήματα αυτά σηματοδοτούν την έναρξη ενός ποικίλου φάσματος νέων ερευνών και συναρπαστικών εξελίξεων. Θα συζητήσω επίσης πώς φιλοδοξούμε να αξιοποιήσουμε υλικά που οδηγούνται από ισχυρά λέιζερ για την ανάπτυξη μιας νέας κατηγορίας μη κλασικών και μαζικά διεμπλεκόμενων καταστάσεων για νέες εφαρμογές στις κβαντικές τεχνολογίες.

Jul 1, 20240 citations