Vuotoeksitaatioiden dynamiikka ja poisto epäjärjestyneissä transmon-jonoissa ja säädettävissä kytkentälaitteissa

Kvanttisysteemiä, jolla on vähintään kaksi erillistä tilaa, voidaan käyttää kubittina, eli kvanttibittinä. Yksi tällainen kvanttisysteemi on transmon-laite, joka valmistetaan suprajohtavasta materiaalista ja jossa kvantti-informaatiota käsitellään sähköisillä signaaleilla. Transmonin kahta alinta energiatilaa käytetään kubitin |0⟩ ja |1⟩ tiloina, mutta transmonilla on myös korkeampia energiatiloja. Virheellisen operoinnin seurauksena transmon voi siirtyä johonkin korkeampaan energiatilaan. Tätä kutsutaan vuodoksi, ja transmonin virittymistä kahden alimman energiatilan ulkopuolelle vuotoeksitaatioksi. Tässä väitöskirjassa tutkitaan numeerisin menetelmin suprajohtavia laitteita, joilla vuotoeksitaatioita voidaan poistaa.

Hyvän vuodonpoistoyksikön tulisi poistaa vuotoeksitaatioita häiritsemättä kubitin kvanttitilaa. Tutkimme transmonjonoon perustuvaa vuodonpoistoyksikköä, jossa vain vuotoeksitaatiot voivat liikkua ketjua pitkin. Ketjun viimeinen transmon on kytketty ympäristöön, jonka kautta vuotoeksitaatiot voivat poistua jonosta. Havaitsimme, että tällainen laite pystyy poistamaan vuotoeksitaatioita transmon-kubiteista, ja sen vaikutus kubitin kvanttitilaan voidaan tehdä pieneksi. Vuodon lisäksi tutkimme toistuvasti mitattuja transmonjonoja. Mittaukset aiheuttavat transmonjonossa faasitransition, joka liittyy lomittumisen leviämiseen systeemissä. Tarkastelimme myös vuodon dynamiikkaa kubiteissa, jotka ovat kytketty toisiinsa säädettävillä kytkentälaitteilla, sekä säädettäviin kytkentälaitteisiin perustuvia vuodonpoistoyksiköitä. Havaitsimme, että vaikka säädettävillä kytkimillä voidaan sammuttaa kubittien välinen vuorovaikutus, vuotoeksitaatiot voivat silti siirtyä kubitista toiseen. Vuodon dynamiikan ymmärtäminen auttaa ehkäisemään vuodon aiheuttamia virheitä. Sen pohjalta voidaan myös kehittää säädettäviin kytkentälaitteisiin perustuvia vuodonpoistolaitteita, ja havaitsimme, että tällaiset laitteet poistavat vuotoeksitaatioita nopeammin kuin edellä mainittu transmonketju ja häiritsevät samalla kubittia vähemmän.

Vuodon aiheuttamat virheet ovat haastavia kvanttivirheenkorjausmenetelmille. Nämä menetelmät eivät myöskään poista vuotoeksitaatioita. Tässä väitöskirjassa pyritään vastaamaan tähän ongelmaan tutkimalla uusia transmon-kubiteille soveltuvia vuodonpoistolaitteita. Tässä työssä tutkitut vuodonpoistolaitteet ovat passiivisia, mikä tarkoittaa, että vuotoeksitaatioita voidaan poistaa kubitin ollessa samanaikaisesti käytössä. Passiivisia vuodonpoistolaitteita on tähän mennessä tutkittu suhteellisen vähän.