Рижов А. І. Застосування інтерферометрії Ландау-Зінера-Штюкельберга-Майорани для контролю динаміки квантових систем

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 104 - «Фізика та астрономія» (10 - Природничі науки). - Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна Національної академії наук України, Харків, 2024. Дисертацію присвячено дослідженню динаміки квантових дворівневих і багаторівневих систем та розробці нових підходів до її опису та контролю з використанням рівняння Ліндблада, інтерферометрії Ландау-Зінера-Штюкельберга-Майорани, адіабатично-імпульсної моделі та рівнянь балансу. У вступі коротко обґрунтовано актуальність теми дисертації, визначено мету та основні завдання дослідження, об'єкт, предмет та методи дослідження. Сформульовано наукову новизну та описано практичне значення отриманих результатів. Також у цьому розділі наведено інформацію про публікації, особистий внесок здобувача та апробацію результатів дисертації. Наведено інформацію про структуру та обсяг дисертації. Розділ 1 присвячено огляду та аналізу літератури за темою дисертації. Перехід ймовірності заселеності між енергетичними рівнями квантової системи під час проходження квазіперетину рівнів називається переходом Ландау-Зінера-Штюкельберга-Майорани (ЛЗШМ). Коли квантова система з квазіперетином рівнів знаходиться під впливом періодичного сильного збудження з достатньо великою амплітудою, відбувається послідовність ЛЗШМ переходів. Фізично спостережувані величини системи, такі як ймовірності заселеностей енергетичних рівнів, виявляють періодичну залежність від параметрів зовнішнього збудження, відому як інтерферометрія ЛЗШМ. Розділ 2 присвячено дослідженню альтернативної парадигми реалізації квантових логічних операцій на основі нерезонансного збудження з переходами ЛЗШМ. У дисертації розвивається ця парадигма квантових логічних, досліджується динаміка багаторівневої квантової системи під впливом ЛЗШМ збудження та оптимізуються параметри для підвищення швидкостей квантових логічних операцій. Визначено параметри зовнішнього керуючого сигналу, необхідні для реалізації конкретної квантової логічної операції, продемонстровано реалізації операцій X, Y, Адамара та фазової операції, використовуючи як осциляції Рабі, так і ЛЗШМ переходи, і порівняно швидкості та точність, досягнуті за допомогою обох підходів. Було узагальнено розглянуту парадигму для реалізації квантових логічних операцій для багаторівневих квантових систем і описано реалізацію двокубітних операцій iSWAP та CNOT. Надано деякі деталі реалізації інших двокубітних операцій: SWAP, CZ, CS. Розділ 3 присвячено вивченню спектроскопії кремнієвої подвійної квантової точки (ПКТ). Періодично збуджувана квантова система з квазіперетином рівнів зазнає як неадіабатичних переходів, так і фазових змін хвильової функції. Для кубітів із розходжующимися енергетичними рівнями така ЛЗШМ інтерференція демонструє дугоподібні резонансні лінії. У випадку багаторівневої системи з квазіперетином двох нижніх рівнів продемонстровано, що форма резонансів може змінюватися від опуклих дуг до увігнутих серцеподібних і арфоподібних резонансних ліній. Це було розглянуто для кремнієвих квантових точок. Розглянуто чотирирівневий гамільтоніан, обговорено, як підготувати стани ПКТ для низькочастотної ЛЗШМ-спектроскопії, одягнувши їх резонансним сигналом. Одягання дозволяє застосувати формули інтерферометрії ЛЗШМ для дворівневих квантових систем. У дисертації були обговорені отримані інтерференційні смуги та проаналізована форма резонансних ліній. Розділ 4 присвячено опису квантових багаторівневих систем за допомогою рівняння Ліндблада, адіабатично-імпульсної моделі та методу рівнянь балансу. В цьому розділі вивчається сильно збуджувана дисипативна чотирирівнева ПКТ. Отримано її гамільтоніан та розв'язується рівняння Ліндблада. Існує чотири різні режими ЛЗШМ: багатопрохідний, однопрохідний, двопрохідний і некогерентний. Розраховано ймовірності заселеностей кожного стану системи як функції часу для всіх режимів роботи. Також в цьому розділі описується як використовувати адіабатично-імпульсну модель і підхід рівнянь балансу для опису квантових багаторівневих систем. Поєднання адіабатично-імпульсної моделі та методу рівнянь балансу дозволяє в деяких випадках описати динаміку багаторівневих квантових систем з енергетичною релаксацією та ЛЗШМ переходами. Була розрахована динаміка детектора мікрохвильових фотонів на основі потокового кубіта для стадії перезарядки детектора.