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

Abstract

This thesis explores nonlinear couplings in superconducting circuits with the purpose of achieving quantum control over the elementary excitations of light and motion. It consists mainly of three research themes. The first theme concerns the experimental realisation of a tuneable coupling scheme, giving rise to different interactions with adjustable ratios, between two transmon qubits. The tuneable capabilities of the device together with its versatile geometry and high coherence make it an interesting building block for analog quantum simulators of certain classes of complex problems. The second theme concerns two theoretical proposals for controlling mechanical resonators using transmon qubits. In the first part we analyse an electromechanical circuit architecture giving rise to tuneable three-body interactions between two qubits and a mechanical beam. Several protocols are performed numerically demonstrating ground-state cooling and the creation of mechanical quantum states, such as single-phonon and multi-phonon superposition states as well as qubit-phonon entanglement. Additionally, schemes for generating arbitrary quantum states are explored. The second part relies on the same concept for coupling a mechanical resonator to a transmon qubit and explores the qubit-resonator system in the ultrastrong coupling regime, where the optomechanical coupling approaches or even exceeds the mechanical frequency. We find that for certain coupling strengths ground-state cooling is possible and devise a protocol for generating macroscopic quantum superposition states, known as “Shrödinger cats”, on the mechanical resonator. Finally, the third research theme presented in the thesis concerns an experiment where a cold superconducting qubit is employed to readout and control a thermally populated radio-frequency resonator coupled via a strong dispersive coupling. By means of reservoir engineering, ground-state cooling as well as stabilisation of Fock states in the resonator are demonstrated reaching a new operating regime for circuit quantum electrodynamics.

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.