Optimal control and quantum simulations in superconducting quantum devices

Abstract

Quantum optimal control theory is the science of steering quantum systems. In this thesis we show how to overcome the obstacles in implementing optimal control for superconducting quantum bits, a promising candidate for the creation of a quantum computer. Building such a device will require the tools of optimal control. We develop pulse shapes to solve a frequency crowding problem and create controlled-Z gates. A methodology is developed for the ptimisation towards a target non-unitary process. We show how to tune-up control pulses for a generic quantum system in an automated way using a combination of open- and closed-loop optimal control. This will help scaling of quantum technologies since algorithms can calibrate control pulses far more efficiently than humans. Additionally we show how circuit QED can be brought to the novel regime of multi-mode ultrastrong coupling using a left-handed transmission line coupled to a right-handed one. We then propose to use this system as an analogue quantum simulator for the Spin-Boson model to show how dissipation arises in quantum systems.

Quantenkontrolle ist die Wissenschaft von der Steuerung von Quantensystemen. In dieser Arbeit wird gezeigt wir wie die bisher bestehenden Hürden bei der Umsetzung von optimalen Steuerimpulsen für supraleitende Quantenbits überwinden können. Supraleitende Qubits sind aussichtsreiche Kandidaten für den Bau eines Quantencomputers. Wir entwickeln Steuerimpulse für Aufgabenstellungen mit dicht belegtem Frequenzspektrum am Beispiel des kontrolliertem Z-Gatters. Eine Methodik zur Optimierung der Zeitentwicklung des Quantensystems auf ein nicht-unitäres Ziel wird entwickelt und auf ein Modelle eines Detektors angewandt. Wir zeigen wie die Kalibrierung der Steuerimpulse durch eine Kombination von offenen und geschlossenen Methoden automatisiert werden kann. Das trägt zur Skalierung von Quantentechnologien bei, weil Algorithmen Steureimpulse viel schneller und genauer als Menschen einstellen können. Zusätzlich, mit Hilfe einer linkshändigen Leitung gekoppelt an eine rechtshändige Leitung, zeigen wir wie Stromkreis-QED den neuen Bereich der vielmodigen, ultrastarken Kopplung erreicht. Wir schlagen vor, wie man dieses System als analogen Quantensimulator für das Spin-Boson Modell benutzen kann, um zu zeigen wie Dissipation in Quantensystemen zu einem Phasenübergang führt.