Väitös teknillisen fysiikan alalta, M.Sc. Mikhail Perelshtein

Väitöskirjan nimi: Harnessing Quantum Resources in Superconducting Devices for Computing and Sensing

Tohtoriopiskelija: Mikhail Perelshtein
Vastaväittäjä: Dr. José A. Aumentado, National Institute of Standards and Technology (NIST), Yhdysvallat
Vastaväittäjä: Associate Prof. Peter Samuelsson, Lund Universitet, Ruotsi
Kustos: Prof. Pertti Hakonen, Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu, teknillisen fysiikan laitos

Kvanttiresursseilla on keskeinen rooli kehittyvällä kvanttiteknologioiden alalla, ja ne tukevat kvanttitietokoneiden, viestintäjärjestelmien ja anturilaitteiden kehitystä, joilla on muunnosominaisuuksia klassisten vastineiden ulkopuolella. Tässä väitöskirjassa tutkitaan keskeisiä kvanttiresursseja, kuten takertumista ja koherenssia, painottaen suprajohtavia metamateriaaleja, mukaan lukien Josephsonin parametriset vahvistimet, matka-Aallon parametriset vahvistimet ja keinotekoiset transmoniatomit. 

Esitelty työ pyrkii tutkimaan, yhdistämään ja valjastamaan kvanttiresursseja kvanttitunnistus-ja laskentatehtävissä. Väitöskirja esittelee moniosaisen kvanttisulkeutumisen sukupolven käyttämällä Josephson-parametrijärjestelmään sovellettuja innovatiivisia pumpun sävytekniikoita, mikä laajentaa mahdollisuuksia sotkeutumisrakenteen mikroaaltoohjaukseen. Hajautetulle Josephson metamaterialille esitetään taajuuteen sotkeutuvien fotonien sukupolvi, jolla on ennätyksellinen 4 GHz:n taajuuserotus, korostaen sotkeutuvien mikroaaltofotonien käytännön vaikutuksia laajakaistaisessa kvanttitietokäsittelyssä. Lisäksi opinnäytetyössä esitellään protokolla usean kubitin tilojen valmistamiseksi kohdeamplitudeilla, jossa on polylogaritminen skaalaus koodattujen parametrien määrässä. Protokolla osoittaa tehokkuutensa jopa 100 kubitin suurpiireillä, joita tutkitaan numeerisesti. 

Esitelty työ edistää vaiheen estimointialgoritmia kvanttitunnistukseen, resurssien käytön ja herkkyyden optimointiin erityisesti magneettikenttämittausten alalla. Se tutkii edelleen erotettavien ja sotkeutuneiden tilojen tehokkuutta magnetometriassa tekemällä kokeita olemassa olevilla kvanttilaitteilla pilvipohjaisten IBM-kvanttijärjestelmien kautta. Tästä tutkimuksesta syntyy uusi tunnistusalgoritmi monitasoisille keinotekoisille atomeille, joka on suunniteltu maksimoimaan käytettävissä olevien kvanttiresurssien käyttö, jota tutkitaan numeerisesti. 

Lopuksi väitöskirja esittelee tutkimuksen hybridikvanttialgoritmista suurten lineaaristen yhtälöjärjestelmien ratkaisemiseksi, esittelee keskitason kvanttitietokoneiden nykytilaa toteuttamalla ennätyksellisen 131,072-ulotteisen ongelman IBM: n kvanttiprosessoreissa ja ehdottaa vertailukohtaa tulevalle laitteistokehitykselle.

Linkki väitöskirjan sähköiseen esittelykappaleeseen (esillä 10 päivää ennen väitöstä): https://aaltodoc.aalto.fi/doc_public/eonly/riiputus/

Yhteystiedot:

Perustieteiden korkeakoulun väitöskirjat: https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/52

Avainsanat:

Quantum Technologies, Quantum Computers, Quantum Sensing, Entanglement, Coherency, Superconducting Metamaterials, Josephson Parametric Amplifiers, Travelling Wave Parametric Amplifiers, Transmon, Multipartite Entanglement, Microwave Control, Frequency-Entangled Photons, Quantum Information Processing, Multi-Qubit States, Quantum Sensing, Magnetometry, IBM Quantum Systems, Quantum Algorithms, Intermediate-Scale Quantum Computers