Qubit and cavity measurement in circuit quantum electrodynamics

Abstract

Quantum information and computing are rapidly evolving fields that explore and make use of the fundamental quantum mechanical aspects of nature. Applications of these fields are far reaching, and touch the fields of computer science, chemistry and biology. Integral to much of quantum information is the ability to measure a quantum system, and this thesis focuses on novel quantum measurement techniques in superconducting integrated circuits, a leading physical architecture for quantum information. A scalable protocol to read out the state of a superconducting qubit via a coupled microwave cavity and a photon counter is presented. Inspired by this protocol, a protocol is developed for readout of a binary multi-qubit operator, the qubit parity, that overcomes the fundamental limits of previous parity readout schemes. Furthermore, this thesis explores the full quantum description of the state formed when a semi-classical drive is applied to an electromagnetic cavity coupled to a qubit. It is found that this state exhibits novel properties, such as qubit evolution dependent on the cavity-phase, and sets fundamental limits on the accuracy and repeatability of qubit measurement via a cavity. Finally, a protocol is presented to create nonclassical states in an electromagnetic cavity using a nonlinear photon detector, including states for which no preparation technique was previously known.

Quanteninformation ist ein sich schnell entwickelnder Bereich der Physik, der die fundamentalen quantenmechanischen Aspekte der Natur untersucht und sie sich zunutze macht. Die Anwendungsmöglichkeiten dieses Gebiets sind vielfältig und liegen beispielsweise in der Informatik, Chemie und Biologie. Für einen großen Teil der Quanteninformation ist es essenziell ein Quantensystem messen zu können; diese Arbeit fokussiert sich auf neuartige Messtechniken in integrierten supraleitenden Schaltkreisen, einer führenden Architektur der Quanteninformation. Es wird ein skalierbares Protokoll zum Auslesen des Zustandes eines supraleitenden Quantenbits (Qubit) mithilfe eines an ihn gekoppelten Mikrowellenresonators (Kavität) und eines Photonenzählers vorgestellt. Ausgehend von diesem Verfahren wird ein weiteres zum Messen eines binären Multi-Qubit Operators, der Qubit Parität, entwickelt, welches die fundamentalen Grenzen bisheriger Auslesemethoden überschreitet. Des Weiteren wird in dieser Arbeit die vollständig quantenmechanische Beschreibung des Zustandes, der bei semiklassischem Antrieb einer an einen Qubit gekoppelten elektromagnetischen Kavität entsteht, untersucht. Es stellt sich heraus, dass dieser Zustand neuartige Eigenschaften wie beispielsweise die Abhängigkeit der Zeitentwicklung des Qubits von der Phase der Kavität aufweist und wesentliche Beschränkungen bezüglich Genauigkeit und Reproduzierbarkeit von Qubitmessungen mittels einer Kavität setzt. Zum Schluss wird ein Verfahren vorgestellt, das nichtklassische Zustände in einer Kavität erzeugt, wobei der Photonendetektor die einzige Nichtlinearität darstellt. Die zuvor genannten nichtklassischen Zustände umfassen auch solche, für die bisher keine Präparationsverfahren bekannt waren.