Superconducting quantum circuits for hybrid architectures

Im Bestreben nach neuen Quantentechnologien gehören supraleitende Quantenschaltkreise (SQS) zu den weltweit führenden Hardware-Plattformen, und finden bereits Anwendung in den Bereichen der Quanteninformationsverarbeitung, Quantenkommunikation und –kryptographie, sowie in der Quantensensorik. Obwohl die Kohärenz solcher Schaltkreise in den vergangenen zwei Jahrzehnten enorm gesteigert werden konnte, existieren konkurrierende Plattformen, die teilweise in bedeutenden Aspekten noch immer überlegen sind. Gerade deshalb erscheint eine Verknüpfung unterschiedlicher Implementierungen zu einer Quantenhybridarchitektur reizvoll, mit dem Ziel, die Stärken der individuellen Plattformen zu kombinieren und gleichzeitig vorhandene Schwächen auszugleichen. ... mehrIn diesem Zusammenhang habe ich im Rahmen meiner Dissertation eine nichtlineare Induktivität für die Verwendung in SQSs entwickelt, die, basierend auf dem ungeordneten Supraleiter „granulares Aluminium“ (grAl), auch in hohen Magnetfeldern verwendet werden kann, was eine Grundvoraussetzung für die Anwendbarkeit in Hybridstrukturen darstellt. Als Machbarkeitsnachweise habe ich den konventionellen Josephson-Kontakt in einem Transmon-Qubit mit dieser grAl-Induktivität ausgetauscht, und die Mikrowelleneigenschaften des Systems im Magnetfeld charakterisiert. Um das Signal-Rausch-Verhältnis der Messung zu verbessern, habe ich zudem einen nicht-entarteten parametrischen Verstärker entwickelt, der auf langen Ketten von Josephson-Kontakten basiert. Die Neuheit des zugrundeliegenden Konzeptes ist dabei die Verwendung von mehreren Eigenmodpaaren der Josephson-Kette, um den Frequenzbereich zwischen 1 und 10 GHz möglichst mit einem einzigen Verstärker abzudecken.

Superconducting quantum circuits (SQCs) are among the leading hardware platforms for the realization of novel quantum technologies, with applications ranging from quantum information processing, to quantum communication and cryptography, to quantum sensing. While the quantum coherence of SQCs has been improved significantly over the last two decades, there are other quantum degrees of freedom based on alternative approaches, which still outperform SQCs in some important aspects. For that reason, it might prove beneficial to combine these different technologies in a quantum hybrid architecture. ... mehrWithin the scope of my thesis, I developed a non-linear inductive circuit element based on granular aluminum (grAl) - a disordered superconductor with high kinetic inductance – which can be operated in strong external magnetic fields, an essential requirement for the applicability in hybrid systems. As a proof of concept, the quantum coherence and non-linearity of the element is demonstrated by the implementation of a transmon qubit, in which the conventional Josephson junction is substituted by the grAl inductor. The performance of the qubit is investigated in the presence of external magnetic fields. In order to improve the signal-to-noise ratio of the measurement setup, I developed a non-degenerate parametric amplifier based on long arrays of Josephson junctions, with up to 1800 elements. The novelty of the presented amplifier concept is to use multiple pairs of eigenmodes to cover the desired frequency range between 1 and 10 GHz with a single device.