Desenvolvimento de técnicas de fabricação e sistemas de medidas para circuitos supercondutores e qubits baseados em junções Josephson : da montagem do laboratório à caracterização de dispositivos
Lucas Medeiros Ruela
TESE
Português
T/UNICAMP R837d
[Development of manufacturing techniques and measurement systems for superconducting circuits and qubits based on Josephson junctions]
Campinas, SP : [s.n.], 2024.
1 recurso online (221 p.) : il., digital, arquivo PDF.
Orientador: Francisco Paulo Marques Rouxinol
Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP), Instituto de Física Gleb Wataghin
Resumo: Esta tese apresenta o desenvolvimento de um sistema de medida avançado, destinado à in- vestigação detalhada de circuitos supercondutores e qubits baseados em junções Josephson. Este trabalho abrange desde a montagem do laboratório, preparação de infraestrutura, até a implementação e...
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Resumo: Esta tese apresenta o desenvolvimento de um sistema de medida avançado, destinado à in- vestigação detalhada de circuitos supercondutores e qubits baseados em junções Josephson. Este trabalho abrange desde a montagem do laboratório, preparação de infraestrutura, até a implementação e aplicação de técnicas de medição para estudar amostras específicas com qubits baseados em junções Josephson. O foco central é o avanço na compreensão e otimização de sistemas supercondutores para aplicações em computação quântica, através da elaboração e execução de metodologias de medição precisas e eficientes. Inicialmente, detalhamos a física de circuitos supercondutores, os modelos que descrevem o comportamentos do componentes principais, cavidades de leitura, junções Josephson e qubits supercondutores. Esses modelos são usados para o design das amostras e escolha dos parâmetros, como energias de cada componente e acoplamentos importantes para a manipulação e medida do circuito, assim como descrevem o funcionamento básico da medida. Avançamos na descrição das técnicas de medição empregadas, com ênfase na utilização de métodos homódinos e heteródinos para a análise das propriedades quânticas dos qubits. Essas técnicas permitem a extração precisa de informações sobre a fase e amplitude dos sinais, fundamentais para a caracterização dos estados quânticos dos qubits e para a avaliação da qualidade das cavidades supercondutoras. A implementação de IQ-mixers para a obtenção da quadratura completa dos sinais é discutida em detalhe, demonstrando como estes dispositivos são cruciais para a medição eficiente e precisa de sistemas quânticos complexos. Este trabalho apresenta medidas de T1 de 14 ?s e T2* de 1 ?s de um transmon 3D em cavidade de cobre; Ele foi projetado e fabricado no laboratório. Também apresenta medidas em frequência de um transmon 2D. Os resultados obtidos ilustram a capacidade do sistema de medida desenvolvido para fornecer intuição detalhada sobre a dinâmica quântica de qubits baseados em junções Josephson. Demonstramos a aplicabilidade do sistema em uma série de experimentos, que vão desde a caracterização básica de qubits até estudos mais avançados, como a medição de tempo de coerência e a interação qubit-fóton em cavidades supercondutoras. Concluímos que o sistema de medida desenvolvido representa uma ferramenta poderosa para o avanço da pesquisa em circuitos supercondutores e qubits para computação quântica, porque ele fornece a capacidade de enviar pulsos de excitação para controlar o estado quântico de um qubit e pulsos de medida para capturar essa informação. A capacidade de realizar medições precisas e detalhadas é essencial para o desenvolvimento de tecnologias quânticas e para o entendimento profundo dos fenômenos quânticos subjacentes. Este trabalho não apenas estabelece uma base sólida para futuras investigações em sistemas supercondutores, mas também contribui significativamente para o campo emergente dos circuitos supercondutores e qubits baseados em junções Josephson
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Abstract: This thesis presents the development of an advanced measurement system, intended for the detailed investigation of superconducting circuits and qubits based on Josephson junctions. This work ranges from setting up the laboratory, preparing infrastructure, to implementing and applying...
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Abstract: This thesis presents the development of an advanced measurement system, intended for the detailed investigation of superconducting circuits and qubits based on Josephson junctions. This work ranges from setting up the laboratory, preparing infrastructure, to implementing and applying measurement techniques to study specific samples with qubits based on Josephson junctions. The central focus is advancing the understanding and optimization of superconducting systems for applications in quantum computing, through the development and execution of accurate and efficient measurement methodologies. Initially, we detail the physics of superconducting circuits, the models that describe the behavior of the main components: readout cavities, Josephson junctions and supercon- ducting qubits. These models are used to design the samples and choose parameters such as the energies of each component and important couplings for the manipulation and measurement of the circuit, as well as describing the basic functioning of the measurement. We advance in the description of the measurement techniques used, with an emphasis on the use of homodyne and heterodyne methods for the analysis of the quantum properties of qubits. These techniques allow the precise extraction of information about the phase and amplitude of quantum signals, fundamental for characterizing the quantum states of qubits and for evaluating the quality of superconducting cavities. The implementation of IQ-mixers to obtain full quadrature of signals is discussed in detail, demonstrating how these devices are crucial for the efficient and accurate measurement of complex quantum systems. This work shows the measurements of T1 of 14 ?s and T2* of 1 ?s of a 3D transmon in a readout copper cavity; it was designed and fabricated at the laboratory. We also present the measurements in frequency of a 1D Transmon. The results obtained illustrate the ability of the developed measurement system to provide detailed intuition about the quantum dynamics of qubits based on Josephson junctions. We demonstrate the applicability of the system in a series of experiments, ranging from basic qubit characterization to more advanced studies, such as measuring coherence time and qubit-photon interaction in superconducting cavities. We conclude that the measurement system developed represents a powerful tool for advancing research into superconducting circuits and qubits for quantum computing, because it allows us to send microwave excitation pulses to control de quantum state and measurement pulses to capture its information. The ability to perform precise and detailed measurements is essential for the development of quantum technologies and the deep understanding of underlying quantum phenomena. This work not only lays a solid foundation for future investigations into superconducting systems, but also contributes significantly to the emerging field of superconducting circuits and qubits based on Josephson junctions
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Aberto
Rouxinol, Francisco Paulo Marques, 1977-
Orientador
Rabelo, Rafael Luiz da Silva, 1986-
Avaliador
Diniz, José Alexandre, 1964-
Avaliador
Brito, Frederico Borges de, 1979-
Avaliador
Oliveira Júnior, Ivan dos Santos
Avaliador
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Lucas Medeiros Ruela
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