Superconducting Microwave Resonators for Hybrid Quantum Systems in Extreme Conditions

Abstract

Hybrid quantum systems play an essential role in efforts towards the advancements of quantum information technology and quantum sensing by bridging distinct technological platforms. In particular, hybrid systems comprising superconducting microwave circuits are being pursued intensely in light of existing achievements in superconducting qubits and precise quantum control in microwave circuits. Their realization relies on the design of superconducting resonators capable of coupling to an oscillatory mode of a second quantum system, facilitating the probing and manipulation of one via the other. In order to accommodate the coupled system, its particular constraints and requirements must be respected, which may be quite extreme from the perspective of established superconducting circuit design and operation. Overcoming this challenge has proved to be a substantial obstacle for the attainment of strongly coupled hybrid systems, despite spectacular advances in superconducting microwave circuits individually. In this work, we examine two approaches tackling this issue for different hybrid quantum systems, focusing on the optimization and characterization of the superconducting circuits. The first device aims at a superconductor-atom hybrid system through the coupling to Rydberg-Rydberg transitions in ultra-cold Rb-87 atoms trapped near the superconducting chip. Using simulations in conjunction with theoretical considerations, we demonstrate a comprehensive geometry parameter optimization procedure for maximum coupling rate. Presenting an experimental implementation of the resulting circuit, we validate its suitability for use under the intended operation conditions, including the option of tuning the electronic transition frequencies using a dc voltage. Secondly, we investigate a device designed for applications in large magnetic in-plane fields used to mediate coupling to integrated micromechanical oscillators; more specifically it is a flux-tunable SQUID resonator comprising Josephson nano-constrictions as nonlinear inductive components. Performing a thorough characterization of its frequency and Kerr anharmonicity tuning behavior at fields up to several hundred mT, we discover a pronounced asymmetry in its flux response at large fields. We show this asymmetry to be caused by the nano-constrictions turning into Josephson diodes, develop an intuitive macroscopic model for its field-induced emergence and reconstruct the diode current-phase relation from the flux tuning data. Several figures of merit informing the suitability of the SQUID resonators for optomechanical systems as well as other applications are improved by the diode effect, highlighting the potential of Josephson diodes in superconducting microwave circuits. Our results provide a promising stepping stone for the advancement of hybrid systems involving superconducting microwave circuits, putting new and exciting operation and coupling regimes within reach.

Hybride Quantensysteme spielen als Bindeglied zwischen verschiedenen Technologien eine zentrale Rolle in Quanteninformatik und -sensorik. Besonders Varianten mit supraleitenden Mikrowellenschaltungen werden angesichts bestehender Erfolge mit supraleitenden Qubits sowie präziser Manipulierbarkeit intensiv verfolgt. Ihre Umsetzung beruht auf der Entwicklung eines supraleitenden Resonators, der an eine Schwingungsmode eines zweiten Quantensystems koppeln kann und so die Untersuchung und Steuerung eines Systems durch das andere ermöglicht. Hierfür müssen die speziellen Anforderungen und Einschränkungen des jeweiligen gekoppelten Systems berücksichtigt werden, die aus Sicht der etablierten Praxis für Konzeption und Betrieb supraleitender Schaltungen durchaus extrem sein können. Dieser Umstand hat sich als beachtliches Hindernis für die Verwirklichung stark gekoppelter hybrider Systeme erwiesen, obgleich mit supraleitenden Mikrowellenschaltungen allein spektakuläre Fortschritte erzielt wurden. In dieser Arbeit betrachten wir zwei Ansätze für verschiedene hybride Quantensysteme, diese Hürde zu überwinden, wobei wir uns auf die Optimierung und Charakterisierung der supraleitenden Schaltungen konzentrieren. Der erste Resonator zielt auf die Kopplung an Rydberg-Rydberg-Übergänge von nahe des Chips gefangenen kalten Rb-87-Atomen. Mithilfe von Simulationen sowie theoretischen Erwägungen optimieren wir die Resonator-Abmessungen für möglichst hohe Kopplung, präsentieren eine experimentelle Umsetzung der resultierenden Struktur und bestätigen ihre Eignung für die vorgesehenen Betriebsbedingungen, die eine Verstimmung der elektronischen Übergänge durch das Anlegen von Gleichspannung einschließen. Als Zweites untersuchen wir einen Chip für Anwendungen mit großen Magnetfeldern in der Leiterebene, die eine Kopplung mit in die Schaltung integrierten mikromechanischen Resonatoren ermöglichen; genauer geht es um einen Fluss-verstimmbaren SQUID-Resonator mit Josephson-Einschnürungskontakten als nichtlineare Induktivitäten. Indem wir die Frequenz- und Kerr-Nichtlinearitäts-Verstimmung in Feldern von bis zu mehreren hundert mT charakterisieren, stellen wir eine deutliche Asymmetrie im Fluss-Verhalten bei hohen Feldern fest. Als Ursache eruieren wir einen Josephson-Dioden-Effekt in den Einschnürungs-Kontakten, entwickeln ein intuitives makroskopisches Modell für sein feldabhängiges Auftreten und ermitteln mithilfe des Verstimmungsverhaltens der Dioden ihre Strom-Phasen-Beziehung. Der Effekt verbessert mehrere Kenngrößen von SQUID-Resonatoren für Anwendungen wie optomechanische Systeme, was das Potential von Dioden für supraleitende Mikrowellenschaltungen unterstreicht. Unsere Ergebnisse stellen einen vielversprechenden Ausgangspunkt für die Weiterentwicklung hybrider Systeme dar und rücken neue, aussichtsreiche Betriebs- und Kopplungsbereiche in greifbare Nähe.