Gimeno Alonso, Ignacio
Luis Vitalla, Fernando (dir.)
Universidad de Zaragoza,
2023
Resumen: Desde comienzos del siglo XXI se ha investigado en el desarrollo de distintos tipos de bits cuánticos, también conocidos como qubits. Por un lado, se ha trabajado en la fabricación de qubits basados en circuitos cuánticos superconductores. Estos sistemas, en los cuales un circuito superconductor se acopla a un resonador coplanar mediante un campo eléctrico o magnético de microondas, presentan una capacidad de cableado elevada al trabajar con circuitos eléctricos, mientras que el escalado a sistemas con un número cada vez mayor de qubits es complicado debido a las pequeñas diferencias entre qubits producidas durante su fabricación. Gracias a su fácil cableado, los ordenadores cuánticos más desarrollados hasta la fecha emplean distintas variantes de estos tipos de qubits, destacando los de IBM y Google, que emplean un tipo de qubit de carga conocido como transmón.
Un segundo tipo de qubit que también muestra características muy prometedoras consiste en emplear sistemas microscópicos, como por ejemplo espines alojados en cristales moleculares. Estos qubits presentan ciertas ventajas frente a los qubits superconductores, como un elevado grado de reproducibilidad (al ser sistemas moleculares dos qubits pueden ser idénticos) que otorga un gran potencial de escalado a esta tecnología. Sin embargo, la comunicación entre qubits se complica respecto a los qubits superconductores.
Un tercer tipo de sistemas, los cuales se han estudiado en esta tesis, consisten en la combinación de las dos clases de qubits anteriores. En estos sistemas híbridos, la información estaría codificada en el estado de espín de las moléculas, mientras que su manipulación y la comunicación entre moléculas se realizaría mediante el empleo de circuitos superconductores (resonadores y líneas de transmisión). Mediante la explotación de lo mejor de ambos tipos de qubits, superconductores y moleculares, podríamos conseguir sistemas fácilmente escalables y con un elevado grado de diseño gracias a las posibilidades que se abren al emplear moléculas para codificar la información.
En esta tesis se han pretendido optimizar dos parámetros críticos a la hora de fabricar un futuro ordenador cuántico basado en la combinación de moléculas magnéticas y circuitos superconductores: el acoplo entre los espines moleculares y los circuitos superconductores; y la coherencia de las moléculas magnéticas (el tiempo que dura un estado del espín antes de sufrir cambios debido a su entorno). Para que una molécula magnética sea una buena candidata a qubit, debe cumplir que su acoplo a los circuitos superconductores, equivalente a la velocidad a la que se podría leer y modificar su estado de espín, sea mayor que su tiempo de coherencia. Existen dos vías para conseguir este objetivo: mejorar la integración de las moléculas en los dispositivos superconductores, y buscar sistemas moleculares con tiempos de coherencia suficientemente elevados. En el trabajo aquí presentado se exploran ambas vías, comprobando a la vez si las distintas moléculas empleadas cumplen el resto de condiciones necesarias para poder codificar un qubit (existencia de al menos dos niveles de energía entre los cuales se puedan realizar transiciones, anarmonicidad del espectro). Este trabajo está dividido fundamentalmente en tres partes.
- Aumento del campo magnético de microondas generado por los circuitos cuánticos superconductores: En esta parte de la tesis se buscan formas de aumentar el campo magnético de microondas generado por los resonadores superconductores. Para ello se muestran dos técnicas complementarias. En primer lugar, se estudia el efecto de la fabricación de una nanoconstricción mediante haz localizado de iones (FIB) en el centro de un resonador coplanar superconductor (capítulo 4). Al confinar la corriente que pasa por el resonador en una región muy pequeña, se espera que el campo magnético de microondas, y con ello el acoplo, aumente considerablemente. Se presenta un estudio del acoplo colectivo espín-fotón alcanzado con este circuito en función de distintos parámetros como la anchura de la nanoconstricción (que se reduce hasta los 50 nm), la temperatura del sistema o la cantidad de espines depositados en el circuito.
En segundo lugar, se introduce un nuevo diseño de resonador, resultado de combinar las cavidades 3D con los resonadores coplanares superconductores (sección 4.8). Este resonador, diseñado por el equipo de Andreas Angerer de la Universidad Técnica de Viena, presenta un diseño en el cual la inductancia se reduce considerablemente respecto a los resonadores coplanares. En principio, esto debería aumentar el campo magnético local generado por el resonador respecto a los coplanares, algo que se comprueba en esta sección. Por último, se combina este resonador con las nanoconstricciones introducidas anteriormente, en un intento de aumentar al máximo el acoplo individual espín-fotón.
- Empleo de moléculas magnéticas con tiempos de coherencia elevados: La segunda parte de la tesis (capítulo 5) introduce un estudio del acoplo entre moléculas del radical libre PTMr, que presenta tiempos de coherencia elevados incluso a temperatura ambiente, y resonadores de parámetros concentrados (LERs). Estos circuitos consisten en un condensador en paralelo con un inductor, lo que permite manipular los valores de capacidad e inductancia por separado. Con ello, es posible aumentar el campo magnético de microondas generado mientras se controla la frecuencia de resonancia. Esto, combinado con la elevada coherencia que se espera de las moléculas de PTMr, podría permitir alcanzar el régimen de acoplo fuerte a una molécula sin necesidad de conseguir acoplos excesivamente elevados. En este capítulo se muestra un estudio del acoplo y la decoherencia de las muestras en función de la cantidad de espines acoplados, así como de la temperatura. También se comprueba si la intensidad del campo magnético de microondas generado por los resonadores varía considerablemente con la inductancia y con la forma de acoplar los resonadores a la línea de transmisión que los alimenta (inductiva o capacitivamente).
En esta parte también se estudia la mejora del acoplo espín-fotón al reducir el inductor de estos resonadores a un único hilo corto, a la vez que se les fabrica una nanoconstricción en ella. Se comprueba la diferencia entre el acoplo alcanzado con los resonadores con baja inductancia sin constricción y con una constricción de anchura 50 nm fabricada en el inductor, estudiando si es posible alcanzar un acoplo coherente con estos sistemas.
- Acoplo de transiciones de reloj a circuitos cuánticos: En esta última parte se realiza una caracterización física de dos moléculas que presentan transiciones de reloj de espín: HoW10 y 1VO (capítulo 6). En estas transiciones los sistemas se encuentran más aislados de su entorno, siendo posible aumentar su coherencia enormemente frente a otras transiciones de espín. Para realizar este estudio se muestran medidas de susceptibilidad magnética, calor específico, resonancia paramagnética electrónica (EPR) y espectroscopía de banda ancha.
En la caracterización del HoW10, que debe presentar un acoplo elevado debido a su alto valor de espín electrónico J = 8, se realiza en primer lugar un estudio de sus niveles de energía en función del campo magnético aplicado. Con esta información, se comprueba la evolución del acoplo espín-fotón con el campo magnético y la temperatura, observando si se produce un aumento del acoplo en las transiciones de reloj debido al solapamiento máximo entre las funciones de onda involucradas. Por último, se discute la idoneidad de este sistema a la hora de codificar un qubit de espín según su diagrama de energías y el comportamiento de sus transiciones de reloj.
Respecto al 1VO, se estudia su posible uso como qudit de 16 niveles, para lo cual se comprueba el comportamiento de los niveles de energía presentes en la molécula. Para que el sistema sea un buen candidato se deben cumplir dos condiciones: su diagrama de energías debe ser anarmónico, y se deben poder realizar operaciones universales, es decir, generar cualquier estado final a partir de cualquier estado inicial mediante una secuencia de pulsos electromagnéticos. Mediante medidas de espectroscopía de banda ancha, EPR y simulaciones numéricas, se comprueba el cumplimiento de ambas condiciones en función del campo magnético aplicado, discutiendo formas de aumentar la región de campo en la cual el sistema sea idóneo para codificar un qudit. Por último, se muestra un estudio del acoplo a LERs de las distintas transiciones de reloj que aparecen en la molécula 1VO en la región de bajo campo. Se muestran los resultados de las medidas de espectroscopía de banda ancha, con las cuales se ha comparado la evolución del acoplo espín-fotón y la decoherencia en muestras concentradas y diluidas.
Resumen (otro idioma):
Un segundo tipo de qubit que también muestra características muy prometedoras consiste en emplear sistemas microscópicos, como por ejemplo espines alojados en cristales moleculares. Estos qubits presentan ciertas ventajas frente a los qubits superconductores, como un elevado grado de reproducibilidad (al ser sistemas moleculares dos qubits pueden ser idénticos) que otorga un gran potencial de escalado a esta tecnología. Sin embargo, la comunicación entre qubits se complica respecto a los qubits superconductores.
Un tercer tipo de sistemas, los cuales se han estudiado en esta tesis, consisten en la combinación de las dos clases de qubits anteriores. En estos sistemas híbridos, la información estaría codificada en el estado de espín de las moléculas, mientras que su manipulación y la comunicación entre moléculas se realizaría mediante el empleo de circuitos superconductores (resonadores y líneas de transmisión). Mediante la explotación de lo mejor de ambos tipos de qubits, superconductores y moleculares, podríamos conseguir sistemas fácilmente escalables y con un elevado grado de diseño gracias a las posibilidades que se abren al emplear moléculas para codificar la información.
En esta tesis se han pretendido optimizar dos parámetros críticos a la hora de fabricar un futuro ordenador cuántico basado en la combinación de moléculas magnéticas y circuitos superconductores: el acoplo entre los espines moleculares y los circuitos superconductores; y la coherencia de las moléculas magnéticas (el tiempo que dura un estado del espín antes de sufrir cambios debido a su entorno). Para que una molécula magnética sea una buena candidata a qubit, debe cumplir que su acoplo a los circuitos superconductores, equivalente a la velocidad a la que se podría leer y modificar su estado de espín, sea mayor que su tiempo de coherencia. Existen dos vías para conseguir este objetivo: mejorar la integración de las moléculas en los dispositivos superconductores, y buscar sistemas moleculares con tiempos de coherencia suficientemente elevados. En el trabajo aquí presentado se exploran ambas vías, comprobando a la vez si las distintas moléculas empleadas cumplen el resto de condiciones necesarias para poder codificar un qubit (existencia de al menos dos niveles de energía entre los cuales se puedan realizar transiciones, anarmonicidad del espectro). Este trabajo está dividido fundamentalmente en tres partes.
- Aumento del campo magnético de microondas generado por los circuitos cuánticos superconductores: En esta parte de la tesis se buscan formas de aumentar el campo magnético de microondas generado por los resonadores superconductores. Para ello se muestran dos técnicas complementarias. En primer lugar, se estudia el efecto de la fabricación de una nanoconstricción mediante haz localizado de iones (FIB) en el centro de un resonador coplanar superconductor (capítulo 4). Al confinar la corriente que pasa por el resonador en una región muy pequeña, se espera que el campo magnético de microondas, y con ello el acoplo, aumente considerablemente. Se presenta un estudio del acoplo colectivo espín-fotón alcanzado con este circuito en función de distintos parámetros como la anchura de la nanoconstricción (que se reduce hasta los 50 nm), la temperatura del sistema o la cantidad de espines depositados en el circuito.
En segundo lugar, se introduce un nuevo diseño de resonador, resultado de combinar las cavidades 3D con los resonadores coplanares superconductores (sección 4.8). Este resonador, diseñado por el equipo de Andreas Angerer de la Universidad Técnica de Viena, presenta un diseño en el cual la inductancia se reduce considerablemente respecto a los resonadores coplanares. En principio, esto debería aumentar el campo magnético local generado por el resonador respecto a los coplanares, algo que se comprueba en esta sección. Por último, se combina este resonador con las nanoconstricciones introducidas anteriormente, en un intento de aumentar al máximo el acoplo individual espín-fotón.
- Empleo de moléculas magnéticas con tiempos de coherencia elevados: La segunda parte de la tesis (capítulo 5) introduce un estudio del acoplo entre moléculas del radical libre PTMr, que presenta tiempos de coherencia elevados incluso a temperatura ambiente, y resonadores de parámetros concentrados (LERs). Estos circuitos consisten en un condensador en paralelo con un inductor, lo que permite manipular los valores de capacidad e inductancia por separado. Con ello, es posible aumentar el campo magnético de microondas generado mientras se controla la frecuencia de resonancia. Esto, combinado con la elevada coherencia que se espera de las moléculas de PTMr, podría permitir alcanzar el régimen de acoplo fuerte a una molécula sin necesidad de conseguir acoplos excesivamente elevados. En este capítulo se muestra un estudio del acoplo y la decoherencia de las muestras en función de la cantidad de espines acoplados, así como de la temperatura. También se comprueba si la intensidad del campo magnético de microondas generado por los resonadores varía considerablemente con la inductancia y con la forma de acoplar los resonadores a la línea de transmisión que los alimenta (inductiva o capacitivamente).
En esta parte también se estudia la mejora del acoplo espín-fotón al reducir el inductor de estos resonadores a un único hilo corto, a la vez que se les fabrica una nanoconstricción en ella. Se comprueba la diferencia entre el acoplo alcanzado con los resonadores con baja inductancia sin constricción y con una constricción de anchura 50 nm fabricada en el inductor, estudiando si es posible alcanzar un acoplo coherente con estos sistemas.
- Acoplo de transiciones de reloj a circuitos cuánticos: En esta última parte se realiza una caracterización física de dos moléculas que presentan transiciones de reloj de espín: HoW10 y 1VO (capítulo 6). En estas transiciones los sistemas se encuentran más aislados de su entorno, siendo posible aumentar su coherencia enormemente frente a otras transiciones de espín. Para realizar este estudio se muestran medidas de susceptibilidad magnética, calor específico, resonancia paramagnética electrónica (EPR) y espectroscopía de banda ancha.
En la caracterización del HoW10, que debe presentar un acoplo elevado debido a su alto valor de espín electrónico J = 8, se realiza en primer lugar un estudio de sus niveles de energía en función del campo magnético aplicado. Con esta información, se comprueba la evolución del acoplo espín-fotón con el campo magnético y la temperatura, observando si se produce un aumento del acoplo en las transiciones de reloj debido al solapamiento máximo entre las funciones de onda involucradas. Por último, se discute la idoneidad de este sistema a la hora de codificar un qubit de espín según su diagrama de energías y el comportamiento de sus transiciones de reloj.
Respecto al 1VO, se estudia su posible uso como qudit de 16 niveles, para lo cual se comprueba el comportamiento de los niveles de energía presentes en la molécula. Para que el sistema sea un buen candidato se deben cumplir dos condiciones: su diagrama de energías debe ser anarmónico, y se deben poder realizar operaciones universales, es decir, generar cualquier estado final a partir de cualquier estado inicial mediante una secuencia de pulsos electromagnéticos. Mediante medidas de espectroscopía de banda ancha, EPR y simulaciones numéricas, se comprueba el cumplimiento de ambas condiciones en función del campo magnético aplicado, discutiendo formas de aumentar la región de campo en la cual el sistema sea idóneo para codificar un qudit. Por último, se muestra un estudio del acoplo a LERs de las distintas transiciones de reloj que aparecen en la molécula 1VO en la región de bajo campo. Se muestran los resultados de las medidas de espectroscopía de banda ancha, con las cuales se ha comparado la evolución del acoplo espín-fotón y la decoherencia en muestras concentradas y diluidas.
Resumen (otro idioma):
Pal. clave: magnetismo ; superconductividad ; propiedades de materiales ; física del estado solido
Titulación: Programa de Doctorado en Física
Plan(es): Plan 488
Área de conocimiento: Ciencias
Nota: Presentado: 08 02 2023
Nota: Tesis-Univ. Zaragoza, , 2023
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Registro creado el 2023-07-24, última modificación el 2023-07-24
