Engineering Superconducting Circuits for Quantum Information

Kvantfysik och kvantinformation i supraledande kretsar Kvantfysik och informationsteori utgör två av det förra seklets mest betydelsefulla vetenskapliga och teknologiska genombrott. Mot slutet av förra seklet initierade ett antal vetenskapliga upptäckter en process där dessa två fält nu förenas och vi har börjat tala om Kvantinformation. Forskare förstod att en dator där informationen lagras och bearbetas enligt kvantfysikens principer skulle kunna lösa problem som är olösbara för dagens datorer. Det blev också tydligt att kommunikation som bygger på kvantinformation tillåter oss att göra saker vi inte kan göra med klassisk kommunikation, t ex kan den göras helt säker mot avlyssning. Flera teknologier för kvantinformation har utvecklats. En del av dem använder sig av mikroskopiska kvantsystem - atomer och fotoner. Andra använder sig av makroskopiska, litografiskt fabricerade elektroniska system (artificiella atomer) - kvantmekaniska supraledande kretsar och halvledarkvantpunkter. Mikroskopiska och makroskopiska kvantbitar har komplementära egenskaper: de mikroskopiska kvantbitarna behåller sina kvantegenskaper under lång tid, men är svåra att styra och avläsa. De makroskopiska kvantbitarna är relativt enkla att koppla till varandra och styra, men deras kvantegenskaper degraderar snabbare. Detta projekt avser teori för supraledande kvantbitar, vilka allmänt anses som de mest lovande makroskopiska kvantbitarna. Detta forskningsfält har utvecklats mycket starkt de senaste 15 åren. Det aktuella projektet består av fyra tydliga delprojekt: 1) Teoretiska studier av så kallad kvantåterkoppling, dvs när man mäter svagt på kvantbiten och sedan återkopplar man denna (ofullständiga) information till kvantbitens styrsignaler. Att göra detta innan kvantbiten har "dekohererat", dvs tappat sin "kvantighet" och blivit klassisk, är något som ingen lyckats med experimentellt än. Detta projekt ger nya insikter i hur svaga kvantmätningar skall modelleras och ger också nya möjligheter för att styra kvantbitar. Detta delprojekt genomförs i nära samarbete med en expreimentell grupp i Delft, där man planerar att genomföra denna typ av experiment på två kvantbitar. 2) Kvantoptik med propagerande mikrovågsfält. Supraledande kvantbitar utgör som sagt en form av skräddarsydda atomer. Denna egenskap gör att man kan studera kvantoptik, dvs den fundamentala växelverkan mellan ljus och materia på nivån av enstaka atomer och enstaka fotoner, i helt nya regimer. T ex är det normalt sett svårt att skapa stark koppling mellan propagerande ljus i en enda mod ("kanal") och en enda atom. Genom att sätta supraledande kvantbitar i mikrovågsledare kan man relativt enkelt realisera detta scenario. Detta tredje delprojekt avser teori för detta snabbt växande fält. Speciellt vill vi utveckla snabba och ställbara enfotonkällor och även fotondetektorer. 3) Supraledande kretsar ger också en möjlighet till att studera realtivistisk fysik. Detta bygger på att man med hjälp av så kallade Josephsonövergångar kan skapa ställbara induktanser som kan varieras mycket snabbt. Om man sätter en sådan ställbar induktans i änden av en transmissionsledning kan man därigenom kontrollera den elektriska längden hos ledningen. Det motsvarar en flyttbar spegel för mikrovågor. Vi visade 2009 teoretiskt att detta skall gå att använda för att testa en teoretisk förutsägelse från 1970-talet. Förutsägelsen kallas dynamisk Casimir-effekt (DCE) och innebär att om man svänger på en spegel i ett mörkt rum så skapar man fotoner. Effekten är märkbar endast när spegelns hastighet närmar sig ljusets hastighet, vilket förklarar varför effekten länge undgick experimentella bevis. Detta ändrade sig 2011, då Chalmersforskare mätte upp DCE i en supraledande krets. I detta projekt vill vi undersöka möjligheterna att mäta upp två andra relativistiska effekter, nämligen Unruh-effekten och Tvillingparadoxen. 4) Det fjärde delprojektet är inriktat på teori för kvantiserade mekaniska ytljudvågor. Klassiskt används dessa kommersiellt inom mikrovågselektronik. Det går effektivt att omvandla signaler från mikrovågor till ytljudvågor och eftersom den mekaniska våglängden räknas i mikrometer istället för centimeter så kan t ex filter som bygger på våginteferens göras mycket kompakta. Vi kommer att utveckla teori för hur de artificiella supraledande atomerna kopplar till dessa mekaniska vågor. Det borde vara möjligt att skapa kvantiserade ljudkällor, dvs enfononkällor.

Participants

Göran Johansson (contact)

Professor at Microtechnology and Nanoscience, Applied Quantum Physics

Funding

Swedish Research Council (VR)

Funding years 2014–2017

Related Areas of Advance and Infrastructure

Nanoscience & Nanotechnology

Area of Advance

Sustainable Development

Chalmers Driving Force

More information

Latest update

2016-08-01