Toista tasoa korkeammalle transmonhiloissa: perustilafaasit ja dynamiikka

Transmonit ovat tällä hetkellä yleisin kvanttitietokoneiden rakennusosa. Transmoneja käytetään yleensä kubitteina, eli vain kahta ensimmäistä energiatilaa on käytössä. Silti korkeampia tilojakin voidaan hyödyntää. Ilman kahteen tilaan rajoittamista, transmon hilojen käyttäytymistä voidaan kuvata attraktiivisellä Bose-Hubbard mallilla. Tässä väitöskirjassa tutkimme mallia analyyttisesti ja numeerisesti, keskittyen toista korkeammpiin tiloihin.

Aloitimme tutkimalla mallin perustiloja ottaen huomioon laitteissa ilmenevän epäjärjestyksen, ja löysimme kolme erilaista perustilafaasia. Seuraavaksi siirryimme tutkimaan mallin dynamiikkaa. Käyttäen hyväksi mallin energiaspektrin vyörakennetta, kehitimme yksinkertaistettuja malleja dynamiikalle vöiden sisällä. Koska dynamiikka on energian säilymisen vuoksi rajoittunut yksittäisiin vöihin, transmonhiloissa esiintyy erilaisia kollektiivisiä ilmiöitä, kuten useamman bosonin käyttäytymistä yksittäisenä kvasihiukkasena ja pidemmän kantaman vuorovaikutuksia kvasihiukkasten välillä. Koska laitteita on mahdotonta täysin eristämään muusta maailmasta, lopuksi lisäsimme malliin ympäristön vaikutuksen sen dynamiikkaan. Transmonien toista korkeampien energiatilojen dynamiikan ymmärrystä voidaan käyttää monen kubitin kvanttilogiikkaporttien, tai monitasoisiin kuditteihin perustuvien kvantti-informaatioprotokollien uusien toteutustapojen kehityksessä.