Application of quasiparticle forces in quantum technologies

Abstract

The performance of many superconducting devices is diminished by long-lived Bogoliubov quasiparticle excitations present in the superconducting part. In normal-metal–insulator– superconductor structured micro-refrigerators, for example, the tunneling of quasiparticles into the normal metal and the accompanying backflow of heat just extracted from it, reduces the cooling efficiency. In superconducting qubits incoherent quasiparticle tunneling through Josephson junctions leads to qubit decoherence and relaxation. While the associated rates are small compared to those of currently more serious noise sources, quasiparticle tunneling is expected to be relevant for fulfilling the high requirements given by current quantum com-putation tasks based on fault tolerant quantum computing. Normal-metal quasiparticle traps among other established techniques are commonly used in order to redistribute the quasi-particles inside the superconducting part and reduce their density in regions which are more important for the device performance. In this thesis we quantitatively investigate on the trapping performance of such normal-metal quasiparticle traps and particularly the role taken by the superconducting proximity effect therein. The quasiclassical Green’s function approach based on the non-equilibrium Keldysh technique serves as theoretical tool. As central physical quantities in the stationary non-equilibrium state the superconducting order parameter, local density of quasiparticle states and the quasiparticle density are put into context with the proximity effect. Two competing characteristics opposingly affecting the trapping performance are revealed, which points out the existence of an ideal trap position with optimal trapping performance. Furthermore, the conversion between dissipative normal current and supercurrent mediated by Andreev reflection and the resulting reduction of the quasiparticle density is studied. A further part of this thesis is about the emulation of quantum field theory in curved spacetime involving spontaneous particle creation due to the conversion of virtual particles into real, detectable ones. We propose an experimental setup, where the dynamics of surface acoustic waves and phonons, respectively, on a piezoelectric semiconductor mimics the propagation of a massless scalar quantum field on a curved spacetime with an effective metric resembling that of a black hole and an expanding universe to some extent, including an acoustic event horizon for surface acoustic waves. An appropriate detection scheme indicating particle creation in form of phonons employs electron loaded dynamic quantum dots and a Stern-Gerlach gate for their readout. A non-thermal steady state for the electrons is predicted, which is ascribed to particle creation.

Die Performance vieler auf Supraleitung basierender Quantentechnologien wird durch die Präsenz von langlebigen Bogoliubov-Quasiteilchen im supraleitenden Bauteil beeinträchtigt. Die Kühlleistung von elektronischen Mikro-Kühlern beispielsweise, die aus normal- und supraleitenden Metallen bestehende Tunnelkontakte verwenden, wird durch in das Normal-metall tunnelnde Quasiteilchen und dem damit einhergehendem Wärmefluss, welche dem Normalmetall zuvor entzogen wurden, reduziert. In supraleitenden Qubits führt inkohärentes Tunneln von Quasiteilchen durch Josephson-Kontakte zu Dekohärenz und Relaxation des Qubits. Zwar sind die damit verbundenen Raten im Vergleich zu denen anderer Fehlerquellen laut aktuellem Stand kleiner, man geht jedoch davon aus, dass das Tunneln von Quasiteilchen relevant ist, um die hohen Anforderungen, die aktuelle Anwendungen von fehlertoleranten Quantencomputern erfordern, zu erfüllen. Der Einsatz von Normalmetall-Quasiteilchenfallen und anderer experimenteller Techniken hat sich etabliert, um Quasiteilchen im supraleitenden Bauteil umzuverteilen und deren Dichte in für die Performance ausschlaggebenden Regionen zu reduzieren. In dieser Dissertation untersuchen wir quantitativ die Einfangperformance solcher Normalmetall-Quasiteilchenfallen und speziell die Rolle, die der supraleitende Proximity-Effekt dabei spielt. Als theoretisches Werkzeug dienen dabei quasiklassische Greensfunktionen, die auf der Keldysh-Technik für Nichtgleichgewichtssituationen basieren. Als zentrale physikalische Größen des stationären Nichtgleichgewichtszustandes werden der supraleitende Ordnungsparameter, die lokale Zustandsdichte der Quasiteilchen und deren Dichte mit dem Proximity-Effekt in Verbindung gebracht. Dabei werden zwei sich auf die Fallenwirkung gegensätzlich auswirkende Eigenschaften deutlich, welche die Existenz einer idealen Fallenpositionierung mit optimaler Einfangperformance aufzeigen. Zusätzlich wird die durch Andreev-Reflektion veraursachte Umwandlung zwischen dissipativem Normalstrom und Suprastrom und die damit verbundene Reduktion der Quasiteilchendichte studiert. Ein weiterer Teil dieser Dissertation behandelt die Emulation von Quantenfeldtheorie in gekrümmter Raumzeit mit spontaner Teilchenproduktion aufgrund der Umwandlung von virtuellen in reale, detektierbare Teilchen. Wir schlagen ein Experiment vor, in dem die Ausbreitung von akustischen Oberflächenwellen beziehungsweise Phononen auf einem piezoelektrischen Halbleiter die Propagation eines masselosen skalaren Quantenfeldes in einer gekrümmten Raumzeit mit einer effektiven Metrik imitiert. Die effektive Metrik weist dabei Ähnlichkeiten zu der eines Schwarzen Loches und eines sich ausdehnendem Universums auf, einschließlich eines akustischen Horizonts für akustische Oberflächenwellen. Ein geeignetes Detektionsverfahren, welches auf Teilchenproduktion in Form von Phononen hindeutet, verwendet in dynamischen Quantenpunkten gefangene Elektronen und ein Stern-Gerlach-Gatter für deren Messung. Wir sagen einen nicht-thermischen Gleichgewichtszustand der Elektronen vorher, der der Teilchenproduktion zugeschrieben wird.