Spanning gecontroleerde fase slips in supergeleidende ringen

Kwantumcomputers kunnen specifieke taken exponentieel sneller uitvoeren dan klassieke computers. Een fundamentele uitdaging om kwantumcomputers op te schalen is de volatiliteit van de basisbouwstenen waaruit deze is opgebouwd, met name de kwantumbits. Bijvoorbeeld, voor supergeleidende kwantumbits is een uitwendig magnetische flux nodig om de karakteristieke frequentie van deze bits aan te sturen. Hierdoor zijn deze kwantumbits ook gevoelig aan defasering via laagfrequente flux ruis. In dit doctoraat wordt een alternatief platform voorgesteld om supergeleidende kwantumbits aan te sturen op elektronische wijze met behulp van een aangelegde spanning over supergeleidende ringen.

De supergeleidende kwantumbits van vandaag zijn gebaseerd op Josephson juncties. Deze juncties zijn aangebracht in supergeleidende stroomkringen en koppelt de discrete gekwantiseerde fluxtoestanden. Op gelijkaardige wijze, door een supergeleidende kring te voorzien van zwakke link (Engels: “weak link”) kunnen fluxtoestanden ook met elkaar gekoppeld worden. Dit verschijnsel is gekend als coherente kwantumfaseslips en vormt tevens een mogelijke route om zogenaamde faseslip flux kwantumbits te realiseren. Ook voor deze structuren is het nodig om de karakteristieke frequentie te bepalen via een volledige controle over de grootte en de eigenschappen van de fase slip nanodraad die de zwakke link realiseert wat een enorme uitdaging is voor de fabricatie ervan.

Deze thesis onderzoekt of een zwakke link elektronisch kan worden geïnduceerd in supergeleidende stroomkringen om de fabricatie gemakkelijker te maken en tegelijk de koppeling van de fluxtoestanden op elektrische manier te manipuleren. In het bijzonder wordt onderzocht wat het effect is van een aangelegde spanning op deterministische en kwantum faseslips. Om dit te onderzoeken worden de tijdsafhankelijke Ginzburg-Landau vergelijkingen opgelost. Dit stelt ons in staat om te tonen op welke manier de aangelegde spanning de vrije energiebarrière en bijgevolg de dynamica van deze faseslips bepaalt. Er worden twee nieuwe componenten voorgesteld en beschreven. Eerst wordt een schaalbare supergeleidend kwantumgeheugen beschreven waarbij de kwantumtoestand wordt geschreven of gelezen door het aanleggen van picoseconde elektrische spanningspulsen. Supergeleidende kwantumgeheugens zijn een essentieel ingrediënt voor kwantumcomputers omdat deze net zoals kwantumcomputers ook op cryogene temperaturen werken. Ten tweede wordt ook een faseslip kwantumbit voorgesteld die gemanipuleerd kan worden door het aanleggen van een uitwendige spanning en niet meer gevoelig is aan fluctuaties die kleiner zijn dan de coherentielengte van de gebruikte supergeleider. Dit ontwerp vormt dan ook een interessante kandidaat voor een schaalbare faseslip kwantumbit. Het onderzoekswerk dat werd verricht tijdens dit doctoraat levert dan ook een aantal routes op om nieuwe supergeleidende kwantumcomponenten te ontwerpen.