Light-Matter Interactions in a Single Josephson Junction Microwave Resonator
(2024) PHYM01 20241Department of Physics
Mathematical Physics
- Abstract
- This thesis models a superconducting device, known as a Transmon, from the perspective of a microwave resonator. The work is motivated by Ref. 1, where such a device was realised and characterised by its resonator properties, showing that it can be viewed as a high-impedance resonator. In the thesis, the resonator is symmetrically connected to two transmission lines: one input port and one output port. Both single tone and two tone measurements are treated, where the two-tone case treats the limit of a weak probe. The measurements are simulated within the framework of input-output theory, however the Lindblad master equation is also used showcasing an alternative approach for solving the system dynamics. In the two-tone measurements we... (More)
- This thesis models a superconducting device, known as a Transmon, from the perspective of a microwave resonator. The work is motivated by Ref. 1, where such a device was realised and characterised by its resonator properties, showing that it can be viewed as a high-impedance resonator. In the thesis, the resonator is symmetrically connected to two transmission lines: one input port and one output port. Both single tone and two tone measurements are treated, where the two-tone case treats the limit of a weak probe. The measurements are simulated within the framework of input-output theory, however the Lindblad master equation is also used showcasing an alternative approach for solving the system dynamics. In the two-tone measurements we also find a coherent signal at a third frequency, other than the probe or drive frequencies. This leaves an open question of seeing if this signal can be measured in experiments and how to explain it. The thesis also raises the question of whether the perspective of a resonator with photons residing inside it is actually valid in this extreme case of a Transmon, often considered as an artificial atom. It is highlighted that an alternative picture than that of a ’dressed atom’ should be presented in the highly non-linear regime in order to aid this interpretation. (Less)
- Popular Abstract (Swedish)
- Mikrovågsresonatorer används inom supraledande kvantsystem för avläsning och manipulation av kvantkomponenter. I avhandlingen analyseras en sådan där gränsdragningen mellan foton och exciterad ’atom’ börjar suddas ut i dessa system.
De senaste decennierna har supraledande kretsar och komponenter haft stort intresse inom forskningen. Det finns flera orsaker till detta; bland annat tack vare att dessa kan uppvisa kvantfysikaliska fenomen, de kan konstrueras med hög precision och de erbjuder en möjlighet att studera hur ljus och materia interagerar med varandra under särskilda förhållanden. Att ett ämne är supraledande innebär att det kan leda ström utan någon resistans. Detta är en egenskap som några material får när de kyls ner till... (More) - Mikrovågsresonatorer används inom supraledande kvantsystem för avläsning och manipulation av kvantkomponenter. I avhandlingen analyseras en sådan där gränsdragningen mellan foton och exciterad ’atom’ börjar suddas ut i dessa system.
De senaste decennierna har supraledande kretsar och komponenter haft stort intresse inom forskningen. Det finns flera orsaker till detta; bland annat tack vare att dessa kan uppvisa kvantfysikaliska fenomen, de kan konstrueras med hög precision och de erbjuder en möjlighet att studera hur ljus och materia interagerar med varandra under särskilda förhållanden. Att ett ämne är supraledande innebär att det kan leda ström utan någon resistans. Detta är en egenskap som några material får när de kyls ner till mycket låga temperaturer. Till exempel blir aluminium supraledande när det kyls ner till cirka 1.2 Kelvin, där 0 Kelvin är den absoluta nollpunkten (-273.15 ◦C). Detta är en väldigt låg temperatur, men i labb kan man med relativt god tillgänglighet numera kyla ner enheter till temperaturer av enstaka tusendelars Kelvin. Att använda kvantfenomenen som uppstår från supraledande effekter är ett av flera sätt man forskar på idag för att lyckas bygga en kvantdator, som skulle vara mycket effektivare på att lösa vissa specifika problem. För att åstadkomma detta krävs kvantversionen av en bit (något som antar värde 0 eller 1, principen som datorer är byggda på), en så kallad ’kvantbit’. En komponent i ansatsen att åstadkomma en qubit för supraledande kretsar har fått namnet Transmon. Denna kallas ibland för en ’artificiell atom’, då den har egenskaper som atomer är kända för att ha. Bland annat kan den fånga upp, fotoner - enskilda paket av ljus - som den sedan kan skicka iväg. En viktig komponent för att manipulera och läsa av kvantbitar är det som kallas för mikrovågsresonatorer. Det är i princip känt hur man konstruerar dessa, men ständigt arbete pågår för att förbättra dem och hitta nya tillämpningar. Namnet är säkert bekant, då en mikrovågsugn är en typ av mikrovågsresonator, men vi behöver en mycket mindre och kontrollerad variant, med lite annan funktion. Fotonerna - ljuset - har ungefär samma våglängd men våra resonatorer vill hålla inne fotoner som matchar dess resonansfrekvens en liten stund och stänga ute resten.
Vad är då en resonansfrekvens? Tänk dig att du rullar ut en jojo hela vägen. Sedan sätter du den i svängning så att den svänger fram och tillbaka. Rör du dig fram och tillbaka i rätt tempo - med rätt frekvens - kommer den svänga mer, än om du försöker få den att svänga mycket långsammare eller mycket snabbare. Då svänger du i resonans med jojon.
I denna avhandling analyserar jag en resonator vars resonansfrekvens bestäms med hjälp av egenskaper hos Transmonen och är en teoretisk analys baserat på experiment jag utfört tidigare. Detta ger upphov till olinjära effekter som kan vara intressanta att undersöka för att få bättre förståelse för kvantfysiken. En sådan olinjär effekt som förutspås teoretiskt i uppsatsen är att när ljus med två olika frekvenser skickas in i resonatorn, kommer den under vissa förhållanden skicka ut ljus med en tredje våglängd. Detta återstår att observera i experiment. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
http://lup.lub.lu.se/student-papers/record/9164590
- author
- Andersson, Samuel LU
- supervisor
-
- Peter Samuelsson LU
- Ville Maisi LU
- organization
- course
- PHYM01 20241
- year
- 2024
- type
- H2 - Master's Degree (Two Years)
- subject
- keywords
- Microwaves, Resonator, Theory, Input-output, Light, Matter
- language
- English
- id
- 9164590
- date added to LUP
- 2024-07-03 09:16:49
- date last changed
- 2024-07-03 09:21:05
@misc{9164590,
abstract = {{This thesis models a superconducting device, known as a Transmon, from the perspective of a microwave resonator. The work is motivated by Ref. 1, where such a device was realised and characterised by its resonator properties, showing that it can be viewed as a high-impedance resonator. In the thesis, the resonator is symmetrically connected to two transmission lines: one input port and one output port. Both single tone and two tone measurements are treated, where the two-tone case treats the limit of a weak probe. The measurements are simulated within the framework of input-output theory, however the Lindblad master equation is also used showcasing an alternative approach for solving the system dynamics. In the two-tone measurements we also find a coherent signal at a third frequency, other than the probe or drive frequencies. This leaves an open question of seeing if this signal can be measured in experiments and how to explain it. The thesis also raises the question of whether the perspective of a resonator with photons residing inside it is actually valid in this extreme case of a Transmon, often considered as an artificial atom. It is highlighted that an alternative picture than that of a ’dressed atom’ should be presented in the highly non-linear regime in order to aid this interpretation.}},
author = {{Andersson, Samuel}},
language = {{eng}},
note = {{Student Paper}},
title = {{Light-Matter Interactions in a Single Josephson Junction Microwave Resonator}},
year = {{2024}},
}