Microwave Photon Absorption and Emission with a High Impedance Resonator-DQD Device

Abstract

Quantum devices often operate with extremely weak microwave signals, necessitating highly efficient methods for microwave photon detection and emission. In this thesis, we investigate a device consisting of an InAs nanowire double quantum dot (DQD) coupled to a high impedance (2kΩ) SQUID array resonator. A high resonator impedance is expected to enhance the light-matter interactions between the resonator and DQD. The aim of this thesis is to examine how the stronger light-matter coupling impacts the photon absorption and emission efficiencies of the device when used as a photodiode and photoemitter in relation to studies on similar devices with low-impedance resonators. An absorption efficiency of ~ 1% and emission efficiency of ~ 7% is reported. The absorption efficiency is lower compared to low-impedance devices, and the limiting factor appears to be a large interdot relaxation rate. Measurements at another operating point indicates that a higher impedance does not cause a high interdot relaxation rate, and thus a higher efficiency could potentially be found at other points. The emission efficiency is two to three orders of magnitude higher than for similar low-impedance devices, underscoring the promise of high-impedance resonators for photon emission. However, the dominant emission process was found to originate from electron transitions between leads and the DQD, rather than interdot transitions. Future work includes developing a more accurate and robust emission measurement scheme able to capture interdot emission, as well as exploring other operating points with lower relaxation rates to enhance both absorption and interdot emission efficiencies. From studying both absorption and emission in this device we better understand how the two processes are related, and the observations are promising for future work in both detection and emission using high-impedance devices.

Popular Abstract (Swedish)

Mikrovågor på fotonnivå: Absorption och emission i kvantprickar

I framtidens kvantsystem krävs teknik som kan detektera och generera extremt svaga ljussignaler. Här undersöker vi hur starkare interaktion mellan ljus (mikrovågsfotoner) och materia (elektroner) påverkar förmågan att effektivt detektera och generera sådana svaga ljussignaler.

Kvantteknik är ett nytt spännande forskningsfält där det just nu satsas stora resurser både i Sverige och i omvärlden. Byggstenarna är extremt små system och utgörs till exempel av enskilda atomer, elektroner och fotoner. Genom att manipulera dessa enskilda byggstenar går det att bygga en kvantdator som kan lösa vissa problem på bråkdelen av den tid som det tar en klassisk dator. Ett annat mål är att använda kvantpartiklarna för att skapa kommunikationssystem som är helt säkra mot avlyssning. För att åstadkomma sådan teknik, behöver man kunna mäta och skicka ut mycket svaga ljussignaler - på skalan av enstaka "ljusenergi-paket", så kallade fotoner. De mest framstående kvantdatorerna använder sig av mikrovågsfrekvenser där fotonenergierna är väldigt låga - vilket gör dem svåra att mäta. Här använder vi en dubbel kvantprick kopplad till en resonator för att båda mäta och skicka ut mikrovågsfotoner.

En dubbel kvantprick kan liknas vid en artificiell atom, där elektronerna befinner sig på distinkta energinivåer på grund av kvantprickarnas extremt små mått. Precis som elektroner i en vanlig atom kan växelverka med ljus, kan elektronerna i kvantprickarna absorbera och avge fotoner. För att dessa mycket svaga mikrovågsfotoner ska interagera med elektronerna, så fångas och förstärks ljuset i resonatorn. Systemet (resonator + dubbel kvantprick) kan användas som en ljusdetektor: när elektronerna i kvantprickarna interagerar med inkommande ljus kan de hoppa mellan olika energitillstånd, vilket ger upphov till en mätbar elektrisk ström. Det kan liknas vid en solcell, där solljus omvandlas till elektricitet. Systemet kan också användas i omvänd rikting som en mikrovågslampa: när elektroner faller mellan olika energinivåer i kvantprickarna kan fotoner avges. Ju högre impedans resonatorn har, desto starkare blir kopplingen mellan fotonerna och elektronerna. Detta kan i sing tur innebära en effektivare omvandling mellan ljus och elektricitet, och därför använder den här studien en resonator med högre impedans än i tidigare experiment.

I jämförelse med tidigare experiment visar resultaten att enheten har låg absorptionsförmåga – endast cirka en procent av inkommande fotoner fångas upp – men däremot är den bättre på att sända ut fotoner, med en effektivitet relativt tidigare studier hög effektivitet på cirka sju procent. Fotonutsändingen verkar dock främst uppstå till följd av elektronövergångar mellan kvantprickarna och deras omgivning, snarare än från övergångar mellan energitillstånd inuti kvantprickarna. Den relativt höga emissionseffektiviteten visar att resonatorer med hög impedans är lovande, medan den låga absorptionseffektiviteten verkar bero på ogynnsamma inställningar i experimentet snarare än på den ökade växelverkan mellan ljus och elektroner i systemet. Genom att optimera inställningarna på kvantprickarna, finns potential för en betydligt högre verkningsgrad både för absorption och emission.

• author: André, Ebba and Hermelin, David
• supervisor: Ville Maisi; Pierre Glidic
• organization: Solid State Physics; Department of Physics
• course: PHYM01 20251
• year: 2025
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Quantum technology, high-impedance resonators, Quantum dots, cQED
• language: English
• id: 9203042
• date added to LUP: 2025-06-19 14:13:10
• date last changed: 2025-06-19 14:13:10