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Quantum information processing with superconducting qubits and molecular magnets

Applicant Nigg Simon
Number 148092
Funding scheme Ambizione
Research institution Departement Physik Universität Basel
Institution of higher education University of Basel - BS
Main discipline Theoretical Physics
Start/End 01.10.2013 - 30.09.2016
Approved amount 381'581.00
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Keywords (3)

Molecular magnets; Quantum information processing; Superconducting qubits

Lay Summary (French)

Lead
Actuellement, le processage d'information est basé sur les lois de la physique classique. Toutefois, plus fondamentalement, la Nature est décrite par la physique quantique. La question se pose donc de savoir si les lois de la physique quantique authorise un processage d'information plus efficace que les lois classiques. Théoriquement la réponse est affirmative et des efforts sont en cours pour réaliser un ordinateur quantique dans le laboratoire.
Lay summary

L'objectif de ce projet de recherche est triple. Premièrement, nous voulons comprendre mieux l'interaction non-linéaire entre la matière et la lumière. Dans la physique classique une interaction non-linéaire, peut amener au chaos; un phénomène characterisé par une extrème sensibilité aux conditions initiales. Toutefois, pour un système isolé, c'est-à-dire découplé de son environment, le chaos est supprimé dans le régime quanique. Les méchanismes de suppression du chaos ne sont que partiellement compris. Les circuits supraconducteurs représentent un système idéal à étudier dans ce context, car la non-linéarité ainsi que le couplage à l'environement, peuvent être très bien contrôlés.

Du côté de l'application, nous nous proposons d'étudier la réalisation d'une opération de logique quantique nécessaire à l'implémentation d'algorithmes quantiques. L'idée ici est d'utiliser les états excités d'un bit quantiques pour manipuler sont état d'une façon plus robuste aux bruits.

Finalement, nous allons étudier les propriétés de cohérence quantique de molécules magnétiques telles que Fe_8 ou Mn_12 couplée à des micro-ondes. Des avancées récentes en chimie permettent de créer des molécules magnétiques ayant des propriétés spécifiques. Cette flexibilité pourrait s'avérer être utile pour le processage d'information et nous nous proposons d'étudier des modèles théoriques pour décrire ces systèmes.

Direct link to Lay Summary Last update: 16.09.2013

Responsible applicant and co-applicants

Name Institute

Employees

Name Institute

Publications

Publication
Correlated voltage probe model of relaxation in two Coulomb-coupled edge channels
Nigg Simon (2016), Correlated voltage probe model of relaxation in two Coulomb-coupled edge channels, in Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures, 75, 191-199.
Nonlocal quantum state engineering with the Cooper pair splitter beyond the Coulomb blockade regime
Ehud Amitai Rakesh Tiwari Stefan Walter Thomas Schmidt and Simon E. Nigg (2016), Nonlocal quantum state engineering with the Cooper pair splitter beyond the Coulomb blockade regime, in Physical Review B, 91, 094516.
Detecting nonlocal Cooper pair entanglement by optical Bell inequality violation
Nigg Simon E., Tiwari Rakesh P., Walter Stefan, Schmidt Thomas L. (2015), Detecting nonlocal Cooper pair entanglement by optical Bell inequality violation, in PHYSICAL REVIEW B, 91(9), 094516.
Deterministic Hadamard gate for microwave cat-state qubits in circuit QED
Nigg Simon E. (2014), Deterministic Hadamard gate for microwave cat-state qubits in circuit QED, in Physical Review A - Atomic, Molecular, and Optical Physics, 89(2), 022340.
Decoherence of high-energy electrons in weakly disordered quantum Hall edge states
Nigg Simon Lunde Anders Mathias, Decoherence of high-energy electrons in weakly disordered quantum Hall edge states, in Physical Review B, Rapid Communications.
Implementing and characterizing precise multi-qubit measurements
J. Z. Blumoff K. Chou C. Shen M. Reagor C. Axline R. T. Bierley M. P. Silveri C. Wang B. Vl, Implementing and characterizing precise multi-qubit measurements, in Physical Review X.
Statistical theory of relaxation of high energy electrons in quantum Hall edge states
Lunde Anders Mathias Nigg Simon, Statistical theory of relaxation of high energy electrons in quantum Hall edge states, in Physical Review B.

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
Thomas Schmidt Basel, Switzerland Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication

Scientific events

Active participation

Title Type of contribution Title of article or contribution Date Place Persons involved
NCCR General Meeting of QSIT Talk given at a conference Quantum computing with microwave cat-states in cQED 05.02.2014 Arosa, GR, Switzerland Nigg Simon;


Knowledge transfer events



Self-organised

Title Date Place
Quantum Computing with superconducting circuits 17.02.2014 University of Basel, Switzerland

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
131224 Superconducting qubit circuits 01.09.2010 Fellowships for prospective researchers
136422 Quantum engineering with superconducting circuits 01.09.2011 Fellowships for advanced researchers

Abstract

The laws of physics constrain the task of information processing. The possibility to control matter and light in their quantum states opens a path to investigate how the laws of quantum physics can alter the paradigm of computation and possibly lead to exponential increase in computational efficiency for certain problems. This project aims at furthering our understanding of one very promising architecture for quantum information processing, namely superconducting circuits composed of Josephson junctions and microwave oscillators. In particular we propose to investigate the possibilities to engineer quantum logic operations based on utilizing a geometric phase effect discovered in the early 80's. We also propose to explore possibilities to implement non-linear oscillators with superconducting circuits in a recently demonstrated regime of ultra-strong dispersive coupling between light and matter to study the emergence of chaos in the classical world. Finally, as part of this project we plan to explore the coherence properties of molecular magnet systems coupled to the magnetic field of microwave resonators.
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