Persistent current readout for coherent quantum annealing

Resum

La computació quàntica és un dels reptes més intrigants pels físics d'aquest segle. La possibilitat d'explorar nuos fenòmens i resoldre problems complexos és fascinant, i la comunitat international està realitzant nombrosos esforços per a aconseguir un processador quàntic coherent. Entre els diferents tipus de computació quàntica, el ``quantum annealing" és probablement el més prometedor a mitjà termini. Actualment, els ``quantum annealers" que ja existexen estan limitats pels temps de coherència dels qubits i no poden realitzar processos de quantum annealing coherent. L'objectiu principal d'aquesta tesi és avançar en el desenvolupament d'un quantum annealer coherent basat en qubits de flux superconductors, mitjançant la introducció d'una nova metodologia de "dispersive readout". En aquesta tesi, es presenta la primera formulació, juntament amb els resultats experimentals, d'un nou circuit de ``persistent current readout" (PCR), compost per un "dc-SQUID" amb una capacitat en paral·lel. Per a aquesta tesi, es van realitzar experiments amb qubits de flux desacoblats, mitjançant els mètodes convencionals del ``dispersive readout". Els resultats constitueixen una referència pels resultats del PCR. Per identificar i reduir els efectes de les fonts de soroll que afecten els qubits, és necessària una anàlisi profunda dels temps de coherència. Tot i que els valors de T1 mesurats lluny del punt de simetria dels qubits són alts, els temps de coherència dels dispositius fabricats van resultar baixos. Probablement, aquest resultat és degut al soroll de flux. Així mateix, el procés de fabricació va tenir faltes, reflectits en els valors baixos dels "gap" dels qubits i, per això, no es van poder realitzar mesures de caracterizació en els seus punts de simetria. Després d'analitzar el dispersive readout conventional, basat en un ressonador acoblat a un qubit per mitjà de una capacitat, s'investiguen altres tipus de acoblaments. En particular, s'investiga l'acoblament galvànic entre un qubit i un ressonador i entre dos qubits. Mostrem que, suposant una petita inducància compartida, l'Hamiltoniá d'acoblament es redueix a l'energia clàssica emmagatzemada en el mateix inductor d'acoblament. El primer sistema té aplicacions interessants per a tractar diferents règims d'acoblament, com ara l'acoblament ultrafort, mentre que el segon sistema és rellevant per a l'estudi d'un qubit acoblat a un objecte fortament no-lineal Basant-nos en aquests resultats, el sistema PCR es defineix com un ressonador, la inductància del qual està constituit per un dc-SQUID, acoblat a un qubit a travès de la inductància geomètrica mùtua. El dc-SQUID actua com un inductor no lineal, amb l'inductancia que depèn de l'estat del qubit, expressat en la base de les corrents persistents. Fixant el punt de treball del dc-SQUID, el canvi de direcció de la corrent persistent del qubit provoca un desplaçament de la freqüència del ressonador. Fent servir un dc-SQUID, és possible desacoblar el qubit del circuit de readout, causant un milloria dels temps de coherència. Així mateix, es deriva l'Hamiltoniá de tot el sistema, amb èmfasi a la contribució a dos fotons en l'Hamiltoniá d'acoblament. Finalment, es càlcula el dispersive shift del ressonador. Per a demonstrar experimentalment el PCR, es va dissenyar i fabricar un dispositiu d'un sol qubit acoblat inductivament al ressonador del PCR i capacitivament a un ressonador de guia d'ones coplanar (CPW). La presència del CPW ens permet realitzar les mesures convencionals en el règim dispersiu, els resultats del qual costituiexen una referència pel PCR. Malhauradament, per imperfeccions en el dispositiu, no va ser possible realitzar cap cataracterització del qubit. Malgrat això, es va observar el desplaçament de la freqüència del dc-SQUID degut a l'inversió de la corrent persistent del qubit, a travès de la mesura del període. Aquest resultat constitueix la validació preliminar del PCR que presentem, i mostra una nova manera per dissenyar quantum annealers.

Data del Ajut	27 de nov. 2025
Idioma original	Anglès
Institució adjudicatària	Universitat Autònoma de Barcelona (UAB)
Supervisor	Pol Forn Diaz (Director/a)