Tehokkaampia alkeisoperaatioita kvanttilaskentaan

A doctoral dissertation completed for the degree of Doctor of Science (Technology) to be defended, with the permission of the Aalto University School of Science, at https://aalto.zoom.us/j/61050268671 on 27 November 2020 at noon.Superconducting circuits are one of the most promising and rapidly developing platforms for implementing quantum bits and their control operations for the purpose of large-scale quantum computing. A quantum algorithm is run by executing a series of precise operations on the quantum bits, or qubits. The most important of these operations are the quantum gates along with the measurement and initialization of the states of the qubits and auxiliary components. In this dissertation, we develop techniques to enhance each of these three operations. The work employs systems of coupled qubits and resonators in the framework of circuit quantum electrodynamics. Firstly, we derive a theoretical lower bound for the error of a single-qubit gate implemented with a linear oscillator mode and show how to reach this bound. Secondly, we experimentally demonstrate a technique for measuring the state of a qubit by simultaneously driving the qubit and the accompanying readout resonator. Compared to our method, the standard technique involving only the resonator drive yields up to 100% larger error. Moreover, we experimentally and theoretically develop quantum devices and protocols that may be used to initialize or reset auxiliary quantum circuits such as resonators. By coupling a quantum circuit to a strongly dissipative environment through a coupler, the decay rate of the circuit may be tuned on demand by several orders of magnitude. Finally, we propose a general method to analytically solve the dynamics of a complex, open bosonic system that may be used to describe, for example, the experimental systems of this dissertation. The experimental techniques developed in this dissertation may potentially be utilized in future implementations of a quantum computer, and the proposed theoretical protocols pave the way for future experiments aiming to improve qubit control and heat management in large-scale quantum processors.Suprajohtavat kvanttipiirit ovat yksi lupaavimmista ja nopeimmin kehittyvistä alustoista, joilla voi mahdollisesti toteuttaa suuren kokoluokan kvanttilaskentaa. Kvanttilaskennassa keskeisessä asemassa ovat kvanttibitit eli kubitit sekä niillä tehtävät tarkat operaatiot, joista kvanttialgoritmit muodostuvat. Operaatioista tärkeimmät ovat loogiset kvanttiportit sekä kubittien ja muiden tarvittavien komponenttien tilojen mittaus ja alustus.Tässä väitöskirjassa kehitetään tapoja näiden kolmen operaation parantamiseksi. Työssä käsitellään kvanttielektrodynamiikkaan perustuvia, kubittien ja resonaattorien muodostamia kytkettyjä systeemejä. Ensimmäiseksi johdamme teoreettisen alarajan lineaarisella värähtelymoodilla toteutetulle yhden kubitin kvanttiportin virheelle sekä näytämme, miten alaraja on mahdollista saavuttaa. Toiseksi toteutamme kokeellisesti menetelmän, jolla voi mitata kubitin tilan ajamalla kubittia ja siihen kytkettyä lukuresonaattoria samanaikaisesti. Yleisesti käytetty mittaustapa, jossa ajetaan ainoastaan resonaattoria, tuottaa jopa 100% suuremman virheen kuin toteuttamamme menetelmä. Tämän lisäksi kehitämme kokeellisesti ja teoreettisesti kvanttilaitteita ja menetelmiä, jotka mahdollistavat laskentaa tukevien kvanttipiirien kuten resonaattorien alustamisen. Kytkemme alustettavan kvanttipiirin vahvasti dissipatiiviseen ympäristöön toisen piirin välityksellä, minkä ansiosta voimme tarvittaessa muuttaa alustettavan piirin kvanttitilan hajoamisaikaa usean kertaluokan verran. Lopuksi esitämme yleisen analyyttisen menetelmän moniosaisen ja avoimen bosonisysteemin aikakehityksen ratkaisemiseksi. Väitöskirjan kokeellisesti tutkitut systeemit ovat yksi esimerkki tällaisesta systeemistä. Väitöskirjassa kehitettyjä kokeellisia menetelmiä on tulevaisuudessa mahdollista käyttää kvanttitietokoneen prototyypeissä. Esitetyt teoreettiset tulokset tukevat tulevia kokeita, jotka tähtäävät kvanttiporttien ja lämmönhallinnan parantamiseensuuren kokoluokan kvanttiprosessoreissa