Optimal Quantum Driving for Single-Qubit Gates

Quantum computers store and manipulate information in individual quantized energy levels. These devices, not yet realized in their full potential, have the ability to perform certain computational tasks more efficiently than any classical computer. One possible way to implement a quantum computer is to use superconducting circuits controlled by single-mode electromagnetic fields. These circuits constitute the physical quantum bits, or qubits, that are used to store quantum information. A complete, fault-tolerant quantum computer potentially consists of at least millions of physical qubits which are grouped to form fault-tolerant logical qubits. Controlling each physical qubit individually requires a great amount of energy, and hence a future challenge is to reduce the energy consumption in qubit control while maintaining the high precision. In this thesis, we derive a fundamental upper bound for the gate fidelity of a single-qubit not gate implemented with a single resonant driving pulse. It is shown that the upper bound approaches unity inversely proportionally to the increasing mean photon number of the pulse. Furthermore, we find that the upper bound is achieved with an optimal superposition of squeezed states. The typically employed coherent state produces twice as high gate error as the corresponding optimal state. In addition, we present and numerically study a correction protocol that allows using the same drive state for multiple qubit operations. This sustained state is refreshed by sequentially coupling ancillary qubits to it, effectively resetting it and removing entanglement with the previously operated qubits. Thus our protocol allows using the same drive state to implement not gates for different qubits indefinitely, and hence provides a possible route to energy-efficient large-scale quantum computing

Problems in estimating radionuclide parameters in relation to nuclear waste disposal, long-term environmental change and mire succession

201

Conceptual models of groundwater-related radionuclide transport in different development stages of mires

201

The association between digitalization and audit risk – evidence from Finland 2012 – 2016

This thesis investigated the association between client company’s digitalization and external auditor’s audit risk – the risk that an auditor expresses unmodified audit opinion from materially misstated financial statements. The positive operational and economical impacts of information technology (hereafter IT) increase companies’ incentives to invest in digitalization, but on the other hand IT may introduce unintended business risks, control risks and financial reporting risks, which may increase the audit risk. Comprehensive use of IT or introduction of new technologies in the client company may challenge the auditor in understanding the IT systems as well as assessing and responding to the identified risks appropriately. Auditors modify their audit procedures depending on the audit risk, which is reflected in the audit fees and possible risk premiums. Hence, consistent with prior research, audit fees were set a proxy for audit risk in this thesis. The study used financial statements’ data of the 500 largest Finnish companies between the years 2012 – 2016 to test whether there is an association between digitalization and audit risk. The data were analyzed by two OLS linear regression models, in which the effects of digitalization related variables on audit fees were tested. In addition, the models were tested separately for listed and non-listed companies. The results indicated that the client company’s industry level digitalization index was negatively associated with audit risk. Nevertheless, the results of the listed and non-listed companies were not uniform. Digitalization index of non-listed companies was negatively associated with audit risk, but digitalization index of listed companies was positively associated with audit risk. Furthermore, IT expenses were positively associated with audit risk. The results of the study also showed that mere reporting of IT expenses on financial statements was not associated with audit risk. Analyzing the association between operating at the IT industry and audit risk, the results showed that operating at the IT industry decreased the audit risk in listed companies but increased the audit risk in non-listed companies. The results of the study contribute to the previous literature in two ways. First, the results imply that introduction of technology and the complexity of IT environment in client companies may increase auditors’ audit risk. Second, the study implies that long-term development of IT capability and comprehensive use of digitalization, reflected by the industry digitalization degree, may decrease the audit risk. Nevertheless, the question of whether and to what extent digitalization influences audit risk is not settled and further investigation is needed. However, this study extends the previous research by providing evidence on the association between digitalization and audit risk in the Finnish context.Tässä tutkimuksessa tutkittiin yritysten digitalisaation ja ulkopuolisen tilintarkastajan tilintarkastusriskin välistä yhteyttä. Kansainvälisten tilintarkastusstandardien mukaisesti, tilintarkastusriskillä tarkoitetaan riskiä siitä, että tilintarkastaja antaa epäasianmukaisen tilintarkastuslausunnon olennaisesti virheellisestä tilinpäätöksestä. Informaatioteknologian (IT) positiiviset toiminnalliset ja taloudelliset vaikutukset lisäävät yritysten kannustimia investoida digitalisaatioon, mutta toisaalta teknologia voi kasvattaa tilintarkastajan tilintarkastusriskiä. Erityisesti monimutkaisten IT-järjestelmien tai uuden teknologian toiminta voi olla vaikeasti ymmärrettävissä ja siten niihin liittyvien riskien arviointi ja riskeihin vastaaminen asianmukaisesti on haasteellista. Tilintarkastajat mukauttavat tarkastustoimenpiteitä tilintarkastusriskin perusteella, mikä heijastuu myös tilintarkastuspalkkioihin ja mahdollisiin riskipreemioihin. Tämän takia, aikaisempaa tutkimusta mukaillen, tilintarkastuspalkkiota käytettiin kuvastamaan tilintarkastusriskiä tässä tutkimuksessa. Tutkimuksessa käytetty aineisto koostui 500 suurimman suomalaisen yrityksen tilinpäätöstiedoista ajanjaksolta 2012 – 2016. Aineisto analysointiin kahden regressiomallin avulla, joissa testattiin digitalisaatioon liittyvien muuttujien yhteyttä tilintarkastuspalkkioihin. Lisäksi malleja testattiin erikseen pörssilistattujen ja listaamattomien yhtiöiden osalta. Tulokset osoittivat, että yhtiön toimialan digitalisaatioindeksi oli negatiivisesti yhteydessä tilintarkastusriskiin. Pörssiyhtiöiden ja listaamattomien yhtiöiden tulokset eivät olleet kuitenkaan yhdenmukaiset. Listaamattomien yhtiöiden digitalisaatioindeksi oli negatiivisesti yhteydessä tarkastusriskiin, mutta pörssiyhtiöiden digitalisaatioindeksi oli puolestaan positiivisesti yhteydessä tarkastusriskiin. Tutkimuksen tulokset osoittivat myös, että IT kulujen raportointi tilinpäätöksessä ei ollut yhteydessä tilintarkastusriskiin. Yritysten IT-kulut olivat kuitenkin positiivisesti yhteydessä tilintarkastusriskiin. Tarkastellessa IT-toimialalla toimivien yhtiöiden ja tarkastusriskin välistä yhteyttä, tulokset osoittivat, että toiminta IT-alalla vähentää tarkastusriskiä pörssiyhtiöiden kohdalla, mutta lisää listaamattomien yhtiöiden tilintarkastusriskiä. Tutkimuksen tulokset kontribuoivat aiempaan tuskimuskirjallisuuteen kahdella tavalla. Ensinnäkin tulokset viittaavat siihen, että asiakasyritysten teknologian käyttöönotto ja IT-ympäristön monimutkaisuus voivat lisätä tilintarkastusriskiä. Toiseksi, IT-valmiuksien kehittäminen ja IT:n kattava käyttö toimialan tasolla voivat vähentää tilintarkastusriskiä. Kysymystä siitä, vaikuttaako digitalisaatio tilintarkastusriskiin ja missä laajuudessa, ei kuitenkaan ole ratkaistu ja lisätutkimuksia tarvitaan. Tämä tutkimus laajentaa kuitenkin aiempaa tutkimusta tarkastelemalla yhteyttä digitalisaation ja tilintarkastusriskin välillä Suomen kontekstissa

Tehokkaampia alkeisoperaatioita kvanttilaskentaan

A doctoral dissertation completed for the degree of Doctor of Science (Technology) to be defended, with the permission of the Aalto University School of Science, at https://aalto.zoom.us/j/61050268671 on 27 November 2020 at noon.Superconducting circuits are one of the most promising and rapidly developing platforms for implementing quantum bits and their control operations for the purpose of large-scale quantum computing. A quantum algorithm is run by executing a series of precise operations on the quantum bits, or qubits. The most important of these operations are the quantum gates along with the measurement and initialization of the states of the qubits and auxiliary components. In this dissertation, we develop techniques to enhance each of these three operations. The work employs systems of coupled qubits and resonators in the framework of circuit quantum electrodynamics. Firstly, we derive a theoretical lower bound for the error of a single-qubit gate implemented with a linear oscillator mode and show how to reach this bound. Secondly, we experimentally demonstrate a technique for measuring the state of a qubit by simultaneously driving the qubit and the accompanying readout resonator. Compared to our method, the standard technique involving only the resonator drive yields up to 100% larger error. Moreover, we experimentally and theoretically develop quantum devices and protocols that may be used to initialize or reset auxiliary quantum circuits such as resonators. By coupling a quantum circuit to a strongly dissipative environment through a coupler, the decay rate of the circuit may be tuned on demand by several orders of magnitude. Finally, we propose a general method to analytically solve the dynamics of a complex, open bosonic system that may be used to describe, for example, the experimental systems of this dissertation. The experimental techniques developed in this dissertation may potentially be utilized in future implementations of a quantum computer, and the proposed theoretical protocols pave the way for future experiments aiming to improve qubit control and heat management in large-scale quantum processors.Suprajohtavat kvanttipiirit ovat yksi lupaavimmista ja nopeimmin kehittyvistä alustoista, joilla voi mahdollisesti toteuttaa suuren kokoluokan kvanttilaskentaa. Kvanttilaskennassa keskeisessä asemassa ovat kvanttibitit eli kubitit sekä niillä tehtävät tarkat operaatiot, joista kvanttialgoritmit muodostuvat. Operaatioista tärkeimmät ovat loogiset kvanttiportit sekä kubittien ja muiden tarvittavien komponenttien tilojen mittaus ja alustus.Tässä väitöskirjassa kehitetään tapoja näiden kolmen operaation parantamiseksi. Työssä käsitellään kvanttielektrodynamiikkaan perustuvia, kubittien ja resonaattorien muodostamia kytkettyjä systeemejä. Ensimmäiseksi johdamme teoreettisen alarajan lineaarisella värähtelymoodilla toteutetulle yhden kubitin kvanttiportin virheelle sekä näytämme, miten alaraja on mahdollista saavuttaa. Toiseksi toteutamme kokeellisesti menetelmän, jolla voi mitata kubitin tilan ajamalla kubittia ja siihen kytkettyä lukuresonaattoria samanaikaisesti. Yleisesti käytetty mittaustapa, jossa ajetaan ainoastaan resonaattoria, tuottaa jopa 100% suuremman virheen kuin toteuttamamme menetelmä. Tämän lisäksi kehitämme kokeellisesti ja teoreettisesti kvanttilaitteita ja menetelmiä, jotka mahdollistavat laskentaa tukevien kvanttipiirien kuten resonaattorien alustamisen. Kytkemme alustettavan kvanttipiirin vahvasti dissipatiiviseen ympäristöön toisen piirin välityksellä, minkä ansiosta voimme tarvittaessa muuttaa alustettavan piirin kvanttitilan hajoamisaikaa usean kertaluokan verran. Lopuksi esitämme yleisen analyyttisen menetelmän moniosaisen ja avoimen bosonisysteemin aikakehityksen ratkaisemiseksi. Väitöskirjan kokeellisesti tutkitut systeemit ovat yksi esimerkki tällaisesta systeemistä. Väitöskirjassa kehitettyjä kokeellisia menetelmiä on tulevaisuudessa mahdollista käyttää kvanttitietokoneen prototyypeissä. Esitetyt teoreettiset tulokset tukevat tulevia kokeita, jotka tähtäävät kvanttiporttien ja lämmönhallinnan parantamiseensuuren kokoluokan kvanttiprosessoreissa

Accelerated stabilization of coherent photon states

| openaire: EC/H2020/681311/EU//QUESSControl and utilization of coherent states of microwave photons is a ubiquitous requirement for the present and near-future implementations of solid-state quantum computers. The rate at which the photon state responds to external driving is limited by the relaxation rate of the storage resonator, which poses a trade-off between fast control and long storage time. Here, we present a control scheme that is designed to drive an unknown photon state to a desired coherent state much faster than the resonator decay rate. Our method utilizes a tunable environment which acts on an ancillary qubit coupled to the resonator. By periodically resetting the qubit and tuning it into resonance with the resonator, possible photon loss and dephasing of the resonator mode are corrected without measurements or active feedback. In general, our method is suitable for accelerating the control of coherent states in high-fidelity resonators.Peer reviewe

Conceptual models of groundwater-related radionuclide transport in different development stages of mires

201

Energy-Efficient Quantum Computing

In the near future, one of the major challenges in the realization of large-scale quantum computers operating at low temperatures is the management of harmful heat loads owing to thermal conduction of cabling and dissipation at cryogenic components. This naturally raises the question that what are the fundamental limitations of energy consumption in scalable quantum computing. In this work, we derive the greatest lower bound for the gate error induced by a single application of a bosonic drive mode of given energy. Previously, such an error type has been considered to be inversely proportional to the total driving power, but we show that this limitation can be circumvented by introducing a qubit driving scheme which reuses and corrects drive pulses. Specifically, our method serves to reduce the average energy consumption per gate operation without increasing the average gate error. Thus our work shows that precise, scalable control of quantum systems can, in principle, be implemented without the introductionof excessive heat or decoherence.Peer reviewe

Problems in estimating radionuclide parameters in relation to nuclear waste disposal, long-term environmental change and mire succession

201