Curci, Ivana (2022) Hacia la implementación experimental de un protocolo de entrelazamiento en circuitos cuánticos superconductores / Towards the experimental implementation of an entanglement protocol in superconducting quantum circuits. Maestría en Ciencias Físicas, Universidad Nacional de Cuyo, Instituto Balseiro.
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Resumen en español
En este trabajo se dieron los primeros pasos hacia la implementación experimental de un protocolo para generar entrelazamiento entre dos qubits superconductores. El protocolo está basado en el empleo de interferometría de Landau-Zener-Stuckelberg (LZS) en un sistema de dos qubits acoplados mediante un resonador microondas. En función de este objetivo general, la tesis está dividida en dos partes: por un lado un trabajo de modelado y diseño, destinado a entender el protocolo y los parámetros más importantes. Por otro lado, una aspecto más experimental de diseño de resonadores microondas y de crecimientos de films superconductores para la fabricación de los circuitos. En la primera parte de la tesis, discutimos los conceptos necesarios para entender el protocolo de generación de entralazamiento y presentamos resultados de simulaciones de interferometría LZS en diferentes casos. Las simulaciones se realizaron con parámetros cercanos a los experimentales. En particular, adoptamos los parámetros típicos del fluxonium, un tipo de arquitectura de qubit de flujo basada en superinductores. En la segunda parte avanzamos en el diseño de resonadores microondas, esenciales para el acoplamiento de los qubits y para la lectura del estado del sistema. Realizamos simulaciones de resonadores constituidos por líneas de transmisión coplanares utilizando un software denominado SONNET. Obtuvimos los parámetros de diseño para fabricar resonadores λ/4 de frecuencia de resonancia variable en el rango de las microondas y de factor de calidad controlable. Ambas condiciones necesarias para el sistema de interés. Este es un primer resultado importante que se requiere para la fabricación. Respecto al crecimiento de películas delgadas de superconductores, fabricamos films de Al y de aluminio granular (AlGr) mediante sputtering. El AlGr se caracteriza por poseer una alta inductancia cinética, lo cual lo convierte en un candidato ideal para fabricar superinductores, con los que a su vez pueden implementarse fluxoniums. Fabrique muestras durante una pasantía en Francia en CEA-Saclay y habiendo aprendido el proceso lo implementamos en la Sala Limpia del Centro Atómico Bariloche. En la tesis mostramos los detalles del crecimiento de los films, presentamos una discusión de las propiedades de las muestras en función de los parámetros de control del proceso, como presión y concentración de oxígeno, y además presentamos un análisis preliminar de las estrategias para implementar circuitos mediante litografía y técnicas de microestructuración. Como un resultado importante de la tesis, logramos obtener muestras de aluminio granular con una temperatura crítica de transición superconductora superior a 2 K.
Resumen en inglés
In this work, the first steps were taken toward the experimental implementation of a protocol to generate entanglement between two superconducting qubits. The protocol is based on the use of Landau-Zener-Stuckelberg (LZS) interferometry in a system of two qubits coupled by a microwave resonator. Based on this general goal, the thesis is divided into two parts: on one hand, a modeling and design work aimed at understanding the protocol and the most significant parameters. On the other hand, an experimental aspect of microwave resonator design and superconducting film growth for circuit fabrication. In the first part of the thesis, we discuss the necessary concepts to understand the entanglement generation protocol and present the results of LZS interferometry simulations in different cases. The simulations were carried out with parameters close to the experimental ones. In particular, we adopt the typical parameters of fluxonium, a type of flux qubit architecture based on superinductors. In the second part, we advance in the design of microwave resonators, essential for the coupling of the qubits and for reading the state of the system. We perform simulations of resonators made up of coplanar transmission lines using software called SONNET. We obtained the design parameters to manufacture λ/4 resonators with a variable resonance frequency in the microwave range and with a controllable quality factor. Both conditions are necessary for the system of interest. This is an important first result required for the fabrication. Regarding the growth of superconducting thin films, we fabricate Al and granular aluminum (AlGr) films by sputtering. AlGr is characterized by having a high kinetic inductance, which makes it an ideal candidate for fabricating superinductors, with which in turn fluxoniums can be implemented. I made samples during an internship in France at CEA-Saclay and after learning the process I implemented it in the Clean Room of Centro At´omico Bariloche. In the thesis I show the details of the film growth, I present a discussion about the properties of the samples as a function of the process control parameters, such as pressure and oxygen concentration, and I also present a preliminary analysis of the strategies to implement circuits. using lithography and micro-structuring techniques. As an important result of the thesis, we managed to obtain granular aluminum samples with a critical superconducting transition temperature higher than 2 K.
| Tipo de objeto: | Tesis (Maestría en Ciencias Físicas) |
|---|---|
| Palabras Clave: | [Fluxonium; Granular, aluminium; Aluminio granular; SONNET; Landau-Zener-Stückelberg; Microware resonators; Resonadores microondas; Entanglement; Entrelazamiento] |
| Referencias: | [1] Langford, N. K. Circuit qed-lecture notes. arXiv preprint arXiv:1310.1897, 2013. 1 [2] Leibfried, D., Blatt, R., Monroe, C., Wineland, D. Quantum dynamics of single trapped ions. Reviews of Modern Physics, 75 (1), 281, 2003. 1 [3] Blais, A., Grimsmo, A. L., Girvin, S., Wallraff, A. Circuit quantum electrodynamics. Reviews of Modern Physics, 93 (2), 025005, 2021. 1, 3, 6, 7, 9, 25 [4] Blais, A., Huang, R.-S., Wallraff, A., Girvin, S. M., Schoelkopf, R. J. Cavity quantum electrodynamics for superconducting electrical circuits: An architecture for quantum computation. Phys. Rev. A, 69, 062320, Jun 2004. URL https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevA.69.062320. 1 [5] Mabuchi, H., Doherty, A. Cavity quantum electrodynamics: coherence in context. Science, 298 (5597), 1372–1377, 2002. 1 [6] Gramajo, A. L. Landau-Zener-Stuckelberg Interferometry in Superconducting Qubits: modeling non-equilibrium systems, Quantum Entanglement and Quantum Simulators. Tesis Doctoral, Instituo Balserio, Universidad Nacional de Cuyo., 2020. 1, 20 [7] Gallardo, S. G. Control de entrelazamiento en circuitos de qubits superconductores y resonadores cu´anticos. Proyecto Fin de Carrera, Universidad Nacional de Cuyo, 2021. 1, 9, 14, 20 [8] Oliver, W. D., Yu, Y., Lee, J. C., Berggren, K. K., Levitov, L. S., Orlando, T. P. Mach-zehnder interferometry in a strongly driven superconducting qubit. Science, 310 (5754), 1653–1657, 2005. 2, 21 [9] Nguyen, L. B., Koolstra, G., Kim, Y., Morvan, A., Chistolini, T., Singh, S., et al. Scalable high-performance fluxonium quantum processor. arXiv preprint arXiv:2201.09374, 2022. 2, 3, 4, 6, 16 [10] Goppl, M., Fragner, A., Baur, M., Bianchetti, R., Filipp, S., Fink, J. M., et al. Coplanar waveguide resonators for circuit quantum electrodynamics. Journal of Applied Physics, 104 (11), 113904, 2008. 2, 39, 45, 46 [11] Gu, X., Kockum, A. F., Miranowicz, A., Liu, Y.-x., Nori, F. Microwave photonics with superconducting quantum circuits. Physics Reports, 718, 1–102, 2017. 2, 3, 7, 8, 9 [12] Kamenov, P., Lu, W.-S., Kalashnikov, K., DiNapoli, T., Bell, M. T., Gershenson, M. E. Granular aluminum meandered superinductors for quantum circuits. Physical Review Applied, 13 (5), 054051, 2020. 2 [13] SONNET. Sonnet, precision electromagnetics, 2021. URL https://www. sonnetsoftware.com/support/lite/, [Internet; descargado 27-noviembre-2021]. 2, 35 [14] Grunhaupt, L., Spiecker, M., Gusenkova, D., Maleeva, N., Skacel, S. T., Takmakov, I., et al. Granular aluminium as a superconducting material for high-impedance quantum circuits. Nature materials, 18 (8), 816–819, 2019. 2, 6, 51 [15] Shevchenko, S. N., Ashhab, S., Nori, F. Landau-zener-stuckelberg interferometry. Physics Reports, 492 (1), 1–30, 2010. 4, 14 [16] Gallardo, S. L., Domínguez, D., Sánchez, M. J. Dissipative entanglement generation between two qubits parametrically driven and coupled to a resonator. Physical Review A, 105 (5), 052413, 2022. 12, 20 [17] Gallardo, S. L., Domínguez, D., Sánchez, M. J. Dissipative entanglement generation between two driven qubits in circuit quantum electrodynamics. arXiv preprint arXiv:2111.08827, 2021. 12, 67 [18] Sillanp¨a¨a, M., Lehtinen, T., Paila, A., Makhlin, Y., Hakonen, P. Continuoustime monitoring of landau-zener interference in a cooper-pair box. Physical review letters, 96 (18), 187002, 2006. 13 [19] Bonifacio, M., Domínguez, D., Sánchez, M. J. Landau-zener-st¨uckelberg interferometry in dissipative circuit quantum electrodynamics. Physical Review B, 101 (24), 245415, 2020. 17 [20] Pozar, D. M. Microwave engineering. John wiley & sons, 2011. 25, 36 [21] Mazin, B. A. Microwave kinetic inductance detectors. California Institute of Technology, 2005. 27, 44 [22] Maleeva, N., Grunhaupt, L., Klein, T., Levy-Bertrand, F., Dupre, O., Calvo, M., et al. Circuit quantum electrodynamics of granular aluminum resonators. Nature communications, 9 (1), 1–7, 2018. 51 [23] Rotzinger, H., Skacel, S., Pfirrmann, M., Voss, J., Munzberg, J., Probst, S., et al. Aluminium-oxide wires for superconducting high kinetic inductance circuits. Superconductor Science and Technology, 30 (2), 025002, 2016. 52 [24] Feng, X., Huang, Y., Rosakis, A. J. On the Stoney Formula for a Thin Film/Substrate System With Nonuniform Substrate Thickness. Journal of Applied Mechanics, 74 (6), 1276–1281, 01 2007. 53 [25] Levy-Bertrand, F., Klein, T., Grenet, T., Dupre, O., Benoıt, A., Bideaud, A., et al. Electrodynamics of granular aluminum from superconductor to insulator: Observation of collective superconducting modes. Physical Review B, 99 (9), 094506, 2019. 58 |
| Materias: | Física > Circuitos cuánticos |
| Divisiones: | Gcia. de área de Investigación y aplicaciones no nucleares > Instituto de Nanociencia y Nanotecnología (INN) > Dispositivos y Sensores |
| Código ID: | 1138 |
| Depositado Por: | Tamara Cárcamo |
| Depositado En: | 11 Abr 2023 15:39 |
| Última Modificación: | 11 Abr 2023 15:39 |
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