Resonators for hybrid superconductor-atom spin systems

Koplanare Mikrowellen-Resonatoren aus supraleitenden Dünnfilmen stellen einen zentralen Baustein der Quanten-Elektrodynamik mit integrierten Schaltkreisen dar (engl. circuit quantum electrodynamics, kurz cQED), in der die fundamentale Wechselwirkung von Mikrowellen-Photonen mit künstlichen Atomen aus supraleitenden Bauelementen untersucht wird. Aufgrund der guten Kontrolle, der selektiven Ansteuerung und der Skalierbarkeit supraleitender Quanten-Bits, kurz Qubits, sind diese stark gekoppelten Systeme, bestehend aus supraleitenden Mikrowellen-Resonatoren und supraleitenden Qubits, aussichtsreiche Kandidaten für die Realisierung einer Quanten-Technologie, die geeignet ist, Quanten-Information unter Benutzung höchst effizienter Algorithmen zu verarbeiten und damit ihre klassischen Gegenstücke zu übertreffen. Aufgrund der geringen Kohärenzzeiten supraleitender Qubits von etwa 100 µs ist jedoch die Rechenzeit eines solchen Quantencomputers beschränkt. Um diese Einschränkungen zu überwinden, wurde eine Vielzahl hybrider Quantensysteme vorgeschlagen, die die Vorteile verschiedener Quantensysteme vereinen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit verschiedenen Aspekten zur Realisierung eines hybriden Quanten-Systems bestehend aus integrierten supraleitenden Schaltkreisen und langlebigen ultrakalten Rubidium Atomwolken in den magnetischen Grundzuständen. Einerseits haben diese kalten Atomwolken in der Nähe eines supraleitenden Resonators Kohärenzzeiten auf der Sekundenskala und fungieren folglich im Rahmen der hybriden Architektur als Quanten-Speicher. Andererseits ermöglicht die starke Kopplung zwischen supraleitenden Qubits und koplanaren Resonatoren schnelle Rechenprozesse, weshalb supraleitende Qubits als Quanten-Prozessoren dienen. Aufgrund des starren Energie-Spektrums von kalten Grundzustands-Atomen in einer Magnetfalle ist ein in der Resonanzfrequenz durchstimmbarer Resonator von enormem Vorteil hinsichtlich des Erzeugens resonanter Wechselwirkung. Deshalb werden im Rahmen der Arbeit mehrere Konzepte entwickelt und diskutiert, die eine solche Durchstimmbarkeit erlauben. Dabei wird zunächst auf zwei Konzepte eingegangen, die für Experimente bei einer Temperatur von etwa 4 K geeignet sind. Das erste Konzept nutzt das nicht-lineare Dielektrikum Strontium-Titanat als Teil eines induktiv gekoppelten Halbwellen-Resonators mit diskretem nicht-linearen Kondensator aus. Im Rahmen der Arbeit wurde ein theoretisches Modell entwickelt, das die Bestimmung der komplexwertigen dielektrischen Funktion von Strontium-Titanat erlaubt, wodurch ein gezielter Einsatz des nicht-linearen Dielektrikums in zukünftigen Proben ermöglicht wird. Die Frequenz konnte dabei, abhängig vom Proben-Design, um 10-50 MHz verstimmt werden, während die Güte-Faktoren mit mehreren 1000 stets relativ groß waren. Der zweite Mechanismus zum Durchstimmen der Resonanzfrequenz war das Ausnutzen der stark temperaturabhängigen kinetischen Induktivität des Supraleiters Niob (kritische Temperatur 9.2 K) für TemperaturenT>4 K. Dabei konnte die Resonanzfrequenz um 100 MHz verändert werden. Aufgrund der einfacheren experimentellen Realisierung wurde das zweite Konzept ausgenutzt, um sowohl die resonante, als auch die nicht-resonante Wechselwirkung zwischen ultrakalten Rubidium Grundzustands-Atomen mit dem Strahlungsfeld eines Resonators zu untersuchen. Für Experimente bei mK-Temperaturen wurde ein Zwei-Chip Ansatz verfolgt, der das Stapeln zweier Substrate mit supraleitenden Dünnfilmen vorsieht. Der untere Chip enthält dabei einen koplanaren Wellenleiter für Mikrowellen, während der obere Chip einen Mikrowellen-Resonator aus einem Interdigitalkondensator und einer Induktivitäts-Schleife enthält. Ein theoretisches Modell wurde zusammen mit Simulationen der relevanten Schaltkreis-Parameter verwendet, um das Verhalten eines Resonators beim Verschieben des Resonator-Chips gegenüber dem unteren Wellenleiter-Chip vorherzusagen. Der Vergleich mit experimentellen Ergebnissen ist exzellent und zeigt eine Durchstimmbarkeit von etwa 25 MHz. In Abgrenzung zu anderen Konzepten der Durchstimmbarkeit führt das Verwenden dieses Konzepts nicht zu einer Reduktion des Güte-Faktors. Im letzten Teil der Arbeit wird die Entwicklung eines Probenhalters vorgestellt, der die Realisierung eines hybriden Quantensystems bei mK-Temperaturen ermöglichen soll. Dieser enthält unter anderem integrierte Bias-T-Chips, die aus Supraleitern bestehen und mit deren Hilfe sowohl Mikrowellen, als auch Gleichströme in die Probe eingespeist werden können, ohne eine signifikante Menge an Wärme zu generieren

Dynamical Ginzburg criterion for the quantum-classical crossover of the Kibble-Zurek mechanism

We introduce a simple criterion for lattice models to predict quantitatively the crossover between the classical and the quantum scaling of the Kibble-Zurek mechanism, as the one observed in a quantum $\phi^4$-model on a 1D lattice [Phys. Rev. Lett. 116, 225701 (2016)]. We corroborate that the crossover is a general feature of critical models on a lattice, by testing our paradigm on the quantum Ising model in transverse field for arbitrary spin-$s$ ($s \geq 1/2$) in one spatial dimension. By means of tensor network methods, we fully characterize the equilibrium properties of this model, and locate the quantum critical regions via our dynamical Ginzburg criterion. We numerically simulate the Kibble-Zurek quench dynamics and show the validity of our picture, also according to finite-time scaling analysis.Comment: 12 pages, 13 figure

Notabene

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An Investigation Of Cost-Benefit Dimensions Of 5G Networks For Agricultural Applications

The agricultural industry is facing unprecedented challenges in meeting the growing demand for food while minimizing its impact on the environment. To address these challenges, the industry is embracing technological advancements such as 5G networks to improve efficiency and productivity. However, the benefits of 5G technology must be weighed against the costs of implementing a suitable network. This paper presents cost-benefit dimensions that are needed to assess the economic feasibility of implementing 5G networks for several agricultural applications. The paper describes the costs of deploying and maintaining a 5G network and the benefits of several 5G-specific use cases, including precision agriculture, livestock monitoring, and swarm robotics. Using industry reports and case studies, the model quantifies the benefits of 5G networks, such as enabling new digital agricultural processes, increased productivity, and improved sustainability. It also considers the costs associated with equipment and infrastructure, as well as the challenges of deploying a network in rural areas. The results demonstrate that 5G networks can provide significant benefits to agricultural businesses and provide an overview about the cost factors. Both benefit and cost dimensions are analyzed for the 5G-specific agricultural use cases

Specification of 5G networks for agricultural use cases using the example of harvesters operated by swarm robotics

Feeding the growing world population is a scientific and economic challenge. The target variables to be optimised are the yield that can be produced on a given area and the reduction of the resources used for this purpose. High-wage countries are faced with the problem that the use of personnel is a significant cost driver. Developing countries, on the other hand, usually operate on much smaller field sizes, so that the work in the field is still strongly characterised by manual labour. One solution to meet these challenges is the use of smaller autonomous harvesting robots. These can be networked into a swarm of machines to work even larger fields. The networking of autonomous agricultural machines is a key use case for rural 5G networks. 5G technology can offer many advantages over older mobile communications standards and therefore make use cases more efficient or enable new ones. Various use cases are also conceivable in the field of agriculture, yet it is unclear how 5G networks can and must be specified for this purpose. In this paper, using the example of 5G-connected harvesters powered by swarm robotics, we present the challenges that have arisen and the specification that has been developed

Bottom-up formation of robust gold carbide

A new phenomenon of structural reorganization is discovered and characterized for a gold-carbon system by in-situ atomic-resolution imaging at temperatures up to 1300 K. Here, a graphene sheet serves in three ways, as a quasi transparent substrate for aberration-corrected high-resolution transmission electron microscopy, as an in-situ heater, and as carbon supplier. The sheet has been decorated with gold nanoislands beforehand. During electron irradiation at 80 kV and at elevated temperatures, the accumulation of gold atoms has been observed on defective graphene sites or edges as well as at the facets of gold nanocrystals. Both resulted in clustering, forming unusual crystalline structures. Their lattice parameters and surface termination differ significantly from standard gold nanocrystals. The experimental data, supported by electron energy loss spectroscopy and density-functional theory calculations, suggests that isolated gold and carbon atoms form – under conditions of heat and electron irradiation – a novel type of compound crystal, Au-C in zincblende structure. The novel material is metastable, but surprisingly robust, even under annealing condition

Quantifying primaquine effectiveness and improving adherence: a round table discussion of the APMEN Vivax Working Group.

The goal to eliminate malaria from the Asia-Pacific by 2030 will require the safe and widespread delivery of effective radical cure of malaria. In October 2017, the Asia Pacific Malaria Elimination Network Vivax Working Group met to discuss the impediments to primaquine (PQ) radical cure, how these can be overcome and the methodological difficulties in assessing clinical effectiveness of radical cure. The salient discussions of this meeting which involved 110 representatives from 18 partner countries and 21 institutional partner organizations are reported. Context specific strategies to improve adherence are needed to increase understanding and awareness of PQ within affected communities; these must include education and health promotion programs. Lessons learned from other disease programs highlight that a package of approaches has the greatest potential to change patient and prescriber habits, however optimizing the components of this approach and quantifying their effectiveness is challenging. In a trial setting, the reactivity of participants results in patients altering their behaviour and creates inherent bias. Although bias can be reduced by integrating data collection into the routine health care and surveillance systems, this comes at a cost of decreasing the detection of clinical outcomes. Measuring adherence and the factors that relate to it, also requires an in-depth understanding of the context and the underlying sociocultural logic that supports it. Reaching the elimination goal will require innovative approaches to improve radical cure for vivax malaria, as well as the methods to evaluate its effectiveness