Qubit measurement and coupling strategies and their applications

Abstract

A quantum computer can reduce the amount of computational effort for selected applications exponentially by taking advantage of quantum mechanical phenomena of nature. For the realization of a real-world quantum computer, among other things, optimized qubit measurements and qubit coupling schemes are indispensable. This dissertation uses theoretical tools to develop novel measurement and coupling strategies in different superconducting qubit architectures. In a first part of the thesis a protocol for multi-qubit parity measurements of Transmon qubit registers is presented, which takes advantage of the nonlinear energy level structure to strongly increase contrast, while at the same time achieving high fidelities and being quantum non-demolishing. The second part focuses on superconducting flux qubits, which are promising for adiabatic quantum computing. First a novel indirect flux qubit measurement protocol is introduced, which provides the ability to measure in a fixed basis, the persistent current basis, independent of the qubit energy eigenbasis. Second it is shown that the limitation of natural interactions to pairwise interactions can be overcome by using a nonlinear coupler and four flux qubits. The achieved four local interactions between the qubits are proven to be in the strong coupling regime and even exceed the two local ones for the right system parameters.

Ein Quantencomputer besitzt das Potenzial den Rechenaufwand für bestimmte Aufgaben gegenüber einem klassischen Computer exponentiell zu reduzieren, indem er sich quantenmechanischer Phänomene der Natur bedient. Zur Realisierung eines echten Quantencomputers sind, neben anderen Bestandteilen, optimierte Mess- und Kopplungsschemata für Qubits unabdingbar. Diese Dissertation befasst sich damit theoretische Mittel zu nutzen, um neue Mess- und Kopplunsstrategien in verschiedenen supraleitenden Qubitarchitekturen zu entwickeln. In dem ersten Teil der Arbeit wird ein neues Protokoll zur Paritätsmessung von Registern aus Transmon Qubits vorgestellt, welches die nichtlineare Energiestruktur ausnutzt, um den Kontrast der Messung stark zu erhöhen und zudem sowohl einen hohe Messgüte aufweist als auch QND ist. Der zweite Teil fokussiert sich auf supraleitende Flussqubits, die vor allem beim adiabatischen Quantencomputer genutzt werden. Zuerst wird ein neues, indirektes Messprotokol vorgestellt, welches die Möglichkeit bietet in einer festen Basis, der Dauerstrombasis, unabhängig von der jeweiligen Energieeigenbasis, zu messen. Danach wird gezeigt, dass die Einschränkung von natürlichen Wechselwirkungen auf paarweise Wechselwirkung überwunden werden kann, indem man vier Flussqubits mittels eines nichtlinearen Kopplers verknüpft. Die erreichten Viererwechselwirkungen zwischen den Qubits sind im Regime starker Kopplung und können für die richtigen Systemparameter die paarweisen Wechselwirkungen überschreiten.