Gramajo, Ana L. (2014) Interferometría Landau-Zener-Stuckelberg en qubits superconductores : efectos del acoplamiento sistema-reservorio. / Landau-Zener-Stuckelberg interferomete in superconducting quibits: effects of system- reservoir coupling. Maestría en Ciencias Físicas, Universidad Nacional de Cuyo, Instituto Balseiro.
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| PDF (Tesis) Español 6Mb |
Resumen en español
En 1982 los físicos Paul Benio y Richard Feymann (independientemente) propusieron por primera vez la idea de que un sistema cuántico puede ser utilizado en computación. Ambas ideas se basan en que si la unidad indivisible de información clasica es el bit (un objeto que puede tener dos valores 0 o 1) entonces la correspondiente unidad de información cuántica es el bit cuántico o "quantum bit" ( 'qubit'). Con lo cual la idea basica de funcionamiento es: se coloca una serie de qubits en un estado inicial determinado, se aplica una operación unitaria U (equivalente a una compuerta lógica cuántica), se deja evolucionar al sistema y luego se mide. La medición realizada es la salida de la computadora cuántica. A partir de estas ideas sugieron diversos candidatos para ser usados como qubits para: almacenamiento, manipulación y transmisión de información cuántica. Paralelamente, el estudio de fenomenos cuánticos a escala mascroscópica y los desarrollos tecnológicos permitieron el uso de nanosistemas superconductores como qubits. En los cuales es posible manipular el estado cuántico del sistema mediante la aplicación y medición de variables mascroscópicas (como voltajes, corrientes y flujos magnéticos en el dispositivo), útil para la construcción de una compuerta lógica cuántica. Entre los posibles candidatos superconductores tenemos el qubit de flujo. Este dispositivo consiste en una espira superconductora con una serie de junturas del tipo superconductor-aislante-superconductor. El funcionamiento se basa, sin entrar en detalles, en la posibilidad de manipular el estado cuántico superconductor mediante la aplicación de un campo magnetico externo: el flujo encerrado en la espira modica las fases de la función de onda del sistema, generando fenómenos de interferencia cuántica. Una de las grandes ventajas es la posibilidad de determinar su estado cuántico mediante la medición de la corriente en la espira: los signos de la corriente permite identicar los estados del sistema. En este trabajo se presenta una breve descripción de dichos nanosistemas a fin de determinar su dinámica. Partimos modelando al qubit de flujo como un sistema simplicado de dos niveles, forzado por un campo magnético periódico en el tiempo. De esta manera se manipula el estado del qubit modicando las probabilidades de encontrar al sistema en uno de los dos estados, es decir: se elige un estado inicial, se aplica el campo externo y se analiza su evolución. En base a este modelo, calculamos numericamente dichas probabilidades para tiempos finitos y para el caso estacionario, en el cual se deja evolucionar al sistema lo suciente hasta alcanzar un estado final independientemente de su preparación inicial. Por otra parte se enfatizó el estudio del qubit de flujo en contacto con el ambiente que lo rodea, con el objetivo de poder comparar nuestros resultados numéricos con mediciones experimentales. Para ello se analiza como afectan las fluctuaciones del mundo externo a la dinámica del sistema, considerando diferentes fuentes de ruido. Luego se estudio los efectos de extender el sistema a N niveles, en particular se trabaj o con N = 4. De esta manera, se busca poder identicar las fuentes de ruido para poder disminuirlas, y con ello evitar la pérdida de información del sistema.
Resumen en inglés
In 1982 physicists Paul Benio and Richard Feynmann (independently) proposed for the first time the idea that a quantum system can be used in computing. Both ideas are based on the same elements: if the indivisible unity of classical information is the bit (an object that can have two values 0 or 1) then the corresponding unit of quantum information is the quantum bit ('qubit '). So the basic idea of operation is: a series of qubits are put at a given initial state, then a unit operation U (equivalent to a quantum logic gate) is applied, the system evolves and then measured. The measurement is carried out at the exit of the quantum computer. From these ideas diverse candidates to be used as qubits emerged for: storage, handling and transmission of quantum information. Similarly, the study of quantum phenomena at mascroscopic scale and technological developments permitted the use of superconducting nanosystems as qubits. In which it is possible to manipulate the quantum state of the system by implementing and measuring mascroscopic variables (such as voltages, currents and magnetic uxes on the device), useful for building a quantum logic gate. There is many superconducting candidates, for example the qubit flux. This device consists of a superconducting loop with a series of junctions superconductor-insulatorsuperconductor type. The operation is based on the possibility of manipulating the superconducting quantum state by applying an external magnetic field: the enclosed flux in the loop modies the phases of the wave function of the system, generating quantum interference phenomena . One of the great advantages of this system is the ability to determine its quantum state by measuring the current in the loop: the signs of the current are used to identify the system states. In this work we present a brief description of these nanosystems to determine its dynamics. We start by modeling the flux qubit as a simplied two-levels system forced by a periodic magnetic field in time. Thus the state of the qubit is manipulated by changing the probabilities of nding the system in one of two states: an initial state is chosen, the external eld is applied and its evolution is analyzed. Based on this model, we calculate these probabilities numerically for nite times and for the stationary case where the system is allowed to evolve enough to reach a nal state regardless of their initial preparation. Moreover, we emphasized the study of a qubit in contact with the surrounding environment, to compare our numerical results with experimental measurements. For it we analyze how the fluctuations of external world aect the dynamic of the system, considering dierent noise sources. Then we study the eects of extending the system to N levels, in particular, we work with N = 4. Thus, we seek to identify noise sources in order to reduce them, and thus prevent the loss of system information.
| Tipo de objeto: | Tesis (Maestría en Ciencias Físicas) |
|---|---|
| Palabras Clave: | Interferometry; Interferometría; LANDAU-ZENER formula; Fórmula de LANDAU-ZENER; Superconductors; Superconductores; Couplings; Acoplamiento |
| Referencias: | [1] Simulating physics with computers\, R. P. Feymann, Int. J. Theor. Phys. 21, 467 (1982). [2] Exploring the Quantum/Classical Frontier, Friedman J.R and Han S, pp 59-95, Nova Science Publishers Inc. (2003), ISBN 1-59033-224-5. [3] Landau-Zener-Stuckelber interferometry, Shechenko S.N., Ashhab S. and Nori F., Physics Reports 492, (2010). [4] Mach-Zehnder interferometry in strongly driven superconducting, Oliver W.D. et al., Science 310 1635, (2010). [5] Large amplitude driving of a persistent current qubit, David Marc Berns, submutted to the Deparment of Physics in partial fulllment of requirements for the degree of Doctor of Philosophy at the Massachusetts Institute of Technology, June 2005. [6] Localization in a driven Two-Level dynamics. F. Grobmann & P. Hanggi, Eur. Phys. Lett. 18 (7), pp. 571-576 (1992). [7] Floquet formulation for the investigation of multiphoton quantum interference in a superconducting qubit driven by a strong ac eld,Sang-Kil S., Siyuan H. and Shih-I-Chu, Physical Review A 79, 032301, (2009). [8] Adiabatic-impulse approximation for avoided level crossings: From phasetransition dynamics to Landau-Zener evolutions and back again, Bogdan Damski and Wojciech H. Zurek, Phys. Rev. A 73, 063405 (2006) [9] Amplitude spectroscopy of a solid-state articial atom, D.M. Berns, M. Rudner, S.O. Valenzuela, K.K. Berggren, W.D. Oliver, L.S. Levitov & T.P. Orlando, Nature 07262, Vol 455 (2008). [10] Suplementary information for Amplitude spectroscopy of a solid-state articial atom, D.M. Berns, M. Rudner, S.O. Valenzuela, K.K. Berggren, W.D. Oliver, L.S. Levitov & T.P. Orlando, Nature 07262, Vol 455 (2008). [11] Solution of the Schrdinger equation with a hamiltonian periodic in time author, Shirley J.H, Physical Review 138, B 979- B 987, 1965. [12] Statistical mechanics of time-periodic quantum systems, Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades Doctor rerum naturalium, Waltraut Wustmann, Institute fur Mathematik and Naturwisseschaften Technische Universitat Dresden, 2010. [13] Exploring Level Statistics from Quantum Chaos to Localization with the Autocorrelation Function of Spectral Determinants, S. Kolher et.al. Phys. Rev. B 58, 7219 (1998). [14] Atom-Photon Interactions. Basic Process and Aplications, Cohen Tannoudji C, Dupont-Roc J. and Grynberg G, 2004, WILEY-YCH Verlag GmbH & Co, pag. 265. [15] Tailoring population invertion in Landau-Zener-Stuckelberg interferometry of ux qubits, A.Ferron, D. Domnguez and M.J. Sanchez, Phys. Rev. Lett. 109, 237005 (2012). [16] Low decoherence ux qubit. J.Q. You, Xuedong Hu, S. Ashhab & F. Nori, Phys. Rev. B 75 140515(R) (2007). [17] Large amplitude driving of a superconducting articial atom: interferometry, cooling and amplitud spectroscopy. W.D. Oliver & S.O. Valenzuela, arXiv:0906.0185v1 [cond-mat.supr-con] 31 May 2009. |
| Materias: | Física > Física del estado sólido Física > Superconductividad |
| Divisiones: | Gcia. de área de Investigación y aplicaciones no nucleares > Gcia. de Física > Materia condensada > Teoría de sólidos |
| Código ID: | 485 |
| Depositado Por: | Marisa G. Velazco Aldao |
| Depositado En: | 20 Abr 2015 14:08 |
| Última Modificación: | 20 Abr 2015 14:08 |
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