Photon counting in the microwave domain and its applications to superconducting qubit readout

Abstract

Diese Dissertation untersucht theoretisch neue Schemata zur Detektion von Mikrowellen- Photonen und zur Messung von supraleitenden Qubits. Wir diskutieren die häufig verwendete dispersive Messung von supraleitenden Qubits mittels homodyner Detektion und beschreiben die Quantisierung des Systems. Die Verwendung von Fotodetektoren kann die Skalierung der Messung vereinfachen. Wir stellen zwei solcher Schemata vor. Im ersten Fall wird fu ̈r das Testsignal kohärente Strahlung verwendet, die mit einem Photonenzahl-auflösenden Detektor gemessen wird. Im zweiten Fall befindet sich das Testsignal in einem Einzelphotonen-Fock-Zustand. Es wird ein Detektor verwendet, der lediglich zwischen der Anwesenheit und Abwesenheit von Photonen unterscheiden kann. Wir stellen auch eine einfache Formel der messinduzierten Qubit-Dekohärenz vorausgesetzt, der Resonator ist mit thermischen und kohärenten Photonen besetzt. Wir verwenden Langevin-Gleichungen in unserer Untersuchung der dispersiven Messung, was es ermöglicht, eine selbst enthaltende Theorie des Systems zu entwickeln. Abschließend betrachten wir einen Mikrowellen-Fotodetektor, der bis zu zwei Photonen durch Zwei-Photonen-Absorption zählen kann.

This thesis theoretically explores new schemes in microwave photon detection and superconducting qubit readout. We review the commonly used dispersive readout with a homodyne detection and describe the quantization of the system. The use of photodetectors for the readout may simplify its scaling. We introduce two such schemes. In the first one, coherent radiation is used as a probe which is measured by a photon- number-resolving detector. In the second one, the probe is in a single-photon Fock state. A detector that is only able to distinguish between the presence and absence of photons is used. We also provide a simple formula for the measurement-induced qubit decoherence given that the resonator is occupied by coherent and thermal photons. We use Langevin equations in our treatment of the dispersive readout, which allows one to have a self-containing theory of the system. Finally, we consider a microwave photodetector that is able to count photons up to two by using two-photon transition.