Puertas lógicas en bits cuánticos superconductores

Abstract

En este trabajo se estudian los bits cuánticos basados en circuitos superconductores. En concreto, se analiza el trasmón, un oscilador con un elemento capacitivo y una unión de Josephson. En un trasmón es posible aislar un subsistema reducido con dos niveles de energía. Este ‘átomo artificial’ con un estado fundamental y un estado excitado sirve como unidad básica de información en un ordenador cuántico. En este documento, se analiza el hamiltoniano del sistema completo y se describe cómo se pueden escoger los parámetros para llegar a un oscilador con dos niveles de trabajo. Además, se describe la interacción del sistema con el exterior tanto para la lectura del estado mediante el acoplamiento a un oscilador de lectura auxiliar como la interacción con campos electromagnéticos acoplados a la cavidad para la manipulación del estado interno. En el proyecto se accede a ordenadores cuánticos reales para estudiar el diseño de los pulsos electromagnéticos capaces de provocar una evolución controlada del estado de los bits cuánticos que se definen en un trasmón. Por un lado, se realiza un experimento de calibración en el que se busca la frecuencia de resonancia del sistema de interés. Posteriormente, se estudian las oscilaciones de Rabi que aparecen en el sistema ante pulsos de entrada de diferente duración. A partir de estos resultados, se describe cómo realizar evoluciones arbitrarias del estado del bit cuántico a partir de pulsos externos bajo el control del experimentador.

This project studies quantum bits based on superconducting circuits. In particular, it analyzes the transmon, an oscillator with a capacitive element and a Josephson union. In a trasmon, it is possible to isolate a reduced subsystem with two energy levels. This ‘artificial atom’ with a ground and an excited state can serve as the basic information unit in a quantum computer. This document analyzes the hamiltonian of the whole system and describes how, with the right choice of parameters, we can reach an oscillator with two effective energy levels. Apart from that, it gives a description of the interaction of the system with the outside world including how to read the quantum bit state by coupling to an ancillary measurement oscillator as well as how the interaction with electromagnetic fields coupled to the bit cavity can be used to manipulate its inner state. The work includes the access to real quantum computers in order to study the design of electromagnetic pulses which can produce a controlled evolution of the state of the quantum bits defined in a trasmon. First, we perform a calibration experiment that finds the resonance frequency of the system under study. Then, we study the Rabi oscillations that appear in the system under input pulses of a different time length. From the results of these experiments, we give a description of how any arbitrary evolution in the state of the quantum bit can be achieved using external pulses under the control of the experimenter.