In this project, the fabrication of single-photon detectors based on superconducting nanowires is presented, with great focus on extending their operation range to the mid infrared. In particular, Niobium Titanium Nitride (NbTiN) and Molybdenum Silicide (MoSi), superconducting materials with different properties, are presented, studied and used as fabrication platforms. Different approaches are followed, mainly adjusting the nanowire width and thickness to achieve near unity quantum efficiency at mid infrared wavelengths. With the vision of using these devices for atmospheric LIDAR and sensing experiments, saturation at 2050 nm is studied that corresponds to the absorption peak of CO2. For the best device made on NbTiN thin films, unity quantum efficiency is shown at 2050 nm with a time jitter of 116 ps at 1550 nm. Simulations using the transfer matrix method and the commercial software Lumerical are carried out, concluding that the devices made in NbTiN could have 23.1-26.7% system detection efficiency at 2050 nm on a Silicon SiO2/Si platform. Further improvements show that the detection efficiency could reach between 52-62% (for 0.33 and 0.5 fill factor, respectively calculated with FDTD simulations) by engineering optical cavities. / I detta projekt presenteras en fabrikations process för enstaka foton detektorer baserade på supraledande nanotrådar. Fokuset har legat på att utöka våglängds regionen där detektorernas kan detektera till mid-infrarött ljus. Två specifika supraledande material, Niobium Titan (NbTiN) och Molybdenum Silicide (MoSi), med olika egenskaper har studerats och använts som material. Dimensionerna på nanotrådarna, framför allt tjockleken och bredden, har optimerats för att uppnå nära enhetlig kvant-effektivitet vid mid-infraröda våglängder. Med visionen att detektorerna ska användas för atmosfäriska LiDAR mätningar har de studerats för satruering vid 2050 nm som motsvarar ett absorbtions maximum för CO2. Detektorerna tillverkade med NbTinN uppnådde 100% kvant effektivitet för 2050 nm ljus med ett tids jitter på 116 ps vid 1550 nm ljus. Simuleringar med överförings matrisen metoden och den kommersiella mjukvaran Lumerical visar att NbTiN detektorer placerade på en SiO2/Si platform kan ha en 23.1-26.7% effektivitet vid 2050 nm. Ytterligare simuleringas visar att effektiviteten kan nå upp till 52-62% (för 0.33 och 0.5 fyllnadsfaktor, respektive beräknad med FDTD) genom att inkludera optiska kaviteter.

Superconducting nanowire single-photon detectors are the most promising technology in quantum photon information. They offer high speed, high detection efficiency, low dark count rate as well as low timing jitter compared to other single photon detection solutions. Since the recent advances in photonic quantum computing, the drive for improvement of the implementation complexity, performance and scalability of quantum photon detection has increased. This presents challenges with the current device readout schemes and alternative solutions are required. One of the key parameters to improve the scalability of superconducting nanowire single-photon detectors, is reducing the power dissipation per pixel. This is especially important in cryogenic readouts, where the performance of electronic components changes compared to room temperature. Moreover, the performance of a cryogenic superconducting nanowire single-photon detector readout is dependent both on the device and readout electronics level characteristics, and both must be fine-tuned for desired performance. A solution to the scalability of superconducting nanowire single-photon detectors (SNSPDs) is the development of a readout scheme with minimized power dissipation. We propose a fully digital readout scheme interfaced with a superconducting nanowire single-photon detector (SNSPD), that allows photon detection and reset. For this purpose, a digital single-pixel SiGe Bi-CMOS readout is designed, simulated, and characterised. An improved readout scheme is proposed with an addition of a die resistor to allow a full reset of the detector. / Supraledande nanotrådsdetektorer baserade på enstaka fotoner är ett av de mest avancerade koncepten inom kvantfotoninformationsteknik. Syftet med att utveckla denna teknik är att förbättra egenskaper så som komplexiteten, prestandan och skalbarheten. En av de viktigaste parametrarna för att förbättra skalbarheten hos supraledande nanotrådsdetektorer med enstaka fotoner är att minska energiförbrukningen per pixel. Detta är särskilt viktigt i kryogena avläsningar, där prestandan hos elektroniska komponenter förändras jämfört med rumstemperatur. Dessutom, beror prestandan hos en kryogen supraledande nanotrådsdetektor både på komponenten och på avläsningselektroniken,och båda måste finjusteras för att uppnå önskad prestanda. En lösning på kalbarheten för supraledande nanotrådsdetektorer med enstaka fotoner (SNSPDs) är att realisera avläsning med minimerad effektförlust. Vi föreslår en helt digital avläsning som är kopplad till en supraledande enfoton nanotrådsdetektor (SNSPD), som gör det möjligt att detektera fotoner och att återställa detektorn efter avläsning. För detta ändamål, designades, simuleras och karakteriserades en digital avläsningkrets med en enda pixel. Ett förbättrat avläsningssystem föreslås genom att lägga till ett diskret motstånd för att möjliggöra en fullständig återställning av detektorn.

We manipulate two superconducting qubits using digital microwave electronics. Starting fromtheir characterization, we develop a real-time reset scheme and implement the iSwap gate. Thequbits’ parameters are obtained using standard single-qubit characterization techniques, such asRabi and Ramsey oscillations and frequency sweep of the resonators. We also characterized theexperimental setup, including finding the working point of a Josephson Parametric Amplifierand the coupler between the two qubits. We solve the linear differential equations that modelthe resonator, in order to design a high-fidelity, single-shot qubit-measurement pulse shape,which actively empties the cavity. Using this pulse, we achieve a readout assignment fidelity of99.9%. The readout is formed in real-time using template matching. In addition, we implementa conditional reset of the qubit’s state in 1.4 μs, which resets the excited state population from5.4% to 0.5%. We simulate the cavity using QuTip to further optimize the readout pulse.Furthermore, we characterize the third energy level of the qubit to implement a qutrit readoutand observe a second excited state population of 0.3%, in accordance with theory. Finally,we implement the iSwap gate that, together with single-qubit gates, constitute a set of universalquantum gates, where we swap the 95.4% of the quantum state between the qubits in 690 ns. Allexperiments, including the pulse events and synchronization of the readout and feedback, wereperformed using a digital microwave platform based on a radio-frequency-on-a-chip system,and implemented using a Python interface. / Vi manipulerar två supraledande kvantbitar med digital mikrovågselektronik. Vi utgår frånderas karakterisering och utvecklar en realtidsåterställningsschema och implementerar iSwap-grinden. Kvantbitarnas parametrar erhålls med standardtekniker för karakterisering av enskildakvantbitar, såsom Rabi- och Ramsey-svängningar och frekvenssvep av resonatorerna. Vikaraketeriserar även den experimentella uppställningen, där vi finner arbetspunkten för enJosephson-parametrisk förstärkare, samt kopplaren mellan de två kvantbitarna. Vi löser delinjära differentialekvationerna som modellerar resonatorn, i syfte att designa en pulsformför en enkelmätning av en kvantbit med hög tillförlitlighet som aktivt tömmer kaviteten.Med denna puls uppnår vi en avläsningstillförlitlighet på 99,9 %. Avläsningspulsen bildas irealtid med hjälp av mallmatchning. Därtill implementerar vi en villkorlig återställning avkvantbitens tillstånd på 1,4 μs, vilket återställer den exciterade tillståndspopulationen från 5,4 %till 0,5 %. Vi simulerar kaviteten med QuTip för att ytterligare optimera avläsningspulsen.Dessutom karakteriserar vi den tredje energinivån på kvantbiten för att implementera enså-kallad qutrit-avläsning och observerar en andraexciterad tillståndspopulation på 0,3 %,i enlighet med teorin. Slutligen implementerar vi iSwap-grinden som, tillsammans medgrindarna för enskilda kvantbitar, utgör en uppsättning universella kvantgrindar, är vi byter95,4 % av kvanttillståndet mellan våra kvantbitarna på 0,6 μs. Alla experiment, såsompulshändelserna och synkroniseringen av avläsningspulsen och återkopplingspulsen, utfördesmed hjälp av en digital mikrovågsplattform, baserad på ett radiofrekvens-på-ett-chip-system,och implementerades med ett Python-gränssnitt.

The quantum phase transition between groundstates of a system with correlated disorder near absolute zero is studied. The computations are based on Monte Carlo methods and the worm algorithm which is an effective method to simulate basic models like the Ising and XY model by making use of global Monte Carlo moves given by modified random walks. Random quenched disorder modeled as a correlated distribution of two values of the coupling constant gives rise to an additional phase transition with a not before seen intermediate phase. / Kvantfasövergången mellan grundtillstånd av ett system med korrelerad oordning nära nolltemperaturen studeras. Beräkningarna är baserade på Monte Carlo metoder och worm algoritmen som är en effektiv metod för att simulera grundläggande modeller som Ising och XY modellen genom att använda sig av globala Monte Carlo steg som ges av modifierade slumpmässiga vandringar. Slumpmässig infrusen oordning modellerad som en korrelerad fördelning av två värden på kopplingsstyrkan ger upphov till en ny mellanliggande fas.