Центр Квантових матеріалів і технологій КАУ (http://kau.org.ua/centers/qmtech) оголошує конкурс на здобуття стипендій для підтримки проведення досліджень за проектом "Single microwave photon counter based on tunable flux qubit", що має на меті створення частотно-регульованого мікрохвильового лічильника одиночних фотонів на основі надпровідного кубіта з високими технічними характеристиками (підвищеною квантовою ефективністю та частотою підрахунку фотонів, зниженим темновим шумом, покращеною стабільністю). 

Ми шукаємо мотивованих PhD студента (аспіранта) та студента-магістра (готові розглядати і бакалаврів впродовж останнього року навчання), які мають інтерес до проведення експериментальних досліджень в області надпровідної квантової електроніки та кріогенної фізики. Навички з комп'ютерного моделювання, схемотехніки, та знайомство з квантовою механікою також вітаються.

Тривалість та розмір додаткових стипендій:

  • PhD студент - до 30 місяців, $400 на місяць
  • студент-магістр - до 20 місяців, $250 на місяць.

У процесі виконання проекту ви зможете оволодіти актуальними методами досліджень на найсучаснішому обладнанні у провідних лабораторіях Європи та гарантовано отримаєте матеріал для захисту дисертації світового рівня.

Ваші короткі мотиваційні листи та CV направляйте Олександру Кордюку на Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам необхідно увімкнути JavaScript, щоб побачити її., @akordyuk та телефонуйте +380 95 0104594.

Початок активної фази досліджень за проектом заплановано на вересень 2020. 

Short Project description:

Single photon counters are key devices in emerging quantum technologies since they are critical for both coherent communications between qubits in quantum computers and secure quantum communications. Acting at the edge of physically possible sensitivity, these are the most challenging devices. Combining our interdisciplinary experience in quantum materials, superconducting quantum devices, and electronic algorithms, we suggest an advanced single microwave photon counter based on a superconducting flux qubit with a widely tunable reception frequency, a significantly reduced dark counting rate, and elevated speed. It will improve performance of quantum communication systems staying open for future upgrades with advanced superconducting materials.

The rapid development of quantum technologies for secure information transmission in networks with quantum key distribution, along with the emergence of the concepts of “quantum illumination” and “quantum radar” for low-energy short-distance object detection and ranging, to be applied in security systems, medicine, etc., requires the creation of highly efficient single-photon detectors in the microwave range (~ 10 GHz).

Since these frequencies are 4-5 orders of magnitude lower than that of optical waves, the measurement methods in the optical and microwave ranges are fundamentally different, and the experience of creating and operating optical single-photon counters are of no use in this area. Microwave detectors capable of distinguishing individual photons should be based on quantum-mechanical principles and exploit transitions between discrete energy levels of Josephson quantum systems. To date, the possibility of creating such microwave photon counters with a quantum efficiency of 0.6-0.7 has been shown experimentally [Inomata K, Lin Zh, Koshino K, Oliver WD, Tsai J-Sh, Yamamoto Ts, Nakamura Y (2016) Single microwave-photon detector using an artificial Λ-type three-level system. Nat Commun 7:12303-1-12303-7].

The project proposes the development of a single-photon counter of electromagnetic radiations at frequencies of the order of 10 GHz based on monitoring transitions between states of a flux qubit (superconducting “artificial atom”) with a capability of wide tuning of the resonant frequency. Preliminary calculations by the authors show that such a counter can work effectively at a temperature of about 10 mK, while its frequency can be tuned in the range of 3-12 GHz. The superconducting qubit loop is planned to be fabricated with a planar technique as a double SQUID with Josephson tunnel junctions having specified parameters (critical current and capacitance), which will be optimized during the project execution according to the measurement results. The change in the magnetic flux in the qubit loop will be recorded by an RF SQUID weakly coupled to the qubit to decrease the back action. The RF SQUID will operate in a so-called non-hysteresis mode which, unlike hysteretic mode and DC SQUID, ensures minimal back action. To improve the noise immunity, sensitivity, photon count rate and further reduce the back action, a number of additional circuitry measures will be taken (filtering, optimization of the qubit topology and strength of coupling to measuring circuit, selection of RF SQUID parameters, use of micropower cooled amplifier), which will significantly reduce the dark count rate and the “dead time” between counts.

Within the project, it is planned to study theoretically the interaction of microwave radiation with the qubit coupled to a resonator and a transmission line, the subject in which the authors have extensive experience.

Successful finalization of the project is ensured by the interaction of 5 research teams from 2 NATO states (France, Slovak Republic) and 2 NATO partner states (Sweden, Ukraine) with the necessary technological and measuring equipment, experienced researchers and deep understanding of the problem.

The proposed project should result in creation of a frequency-tunable microwave single-photon counter with high technical characteristics (increased quantum efficiency, photon count rate, reduced dark (false) count rate, good temporal stability and jitter).

qCounterCirquit