This thesis presents the development of superconducting resonators as a platform for a quantum processor unit (QPU) based on magnetic molecules. The principal moti vation behind this work is to investigate alternatives to existing quantum computing hardware, addressing their typical limitations, such as fast relaxation times or the need to scale physical qubits, which increases the complexity of quantum processors. Circuit quantum electrodynamics (cQED) enables the study of the interaction be tween the resonators and the molecules, including the optimization of the interaction between them. The different resonator geometries are tested in order to optimize the spin-photon coupling. This manuscript is divided into four different parts, including three experimental achievements:
• The first part of this thesis, constituted by chapters 1, 2, and 3, starts with a brief introduction and motivation behind this work. After this, the theoretical framework necessary for the proper interpretation of the experimental results is developed, including the basis of superconducting resonators, the physics of the spin systems, and the cQED theory. Finally, the experimental methods are explained, including the design process, fabrication, and instrumentation, all of which are necessary to the success of this thesis.
• The first experimental accomplishment, explained in chapter 4, involves the utilization of the 173Ytterbium isotope as a qudit candidate. In this part, an in-depth characterization of the molecular crystals is carried out, starting from their broadband spectroscopy to their resonator spin-photon coupling. The experiments demonstrated the achievement of strong cooperativity (C > 10) in this hybrid system. Later, dispersive experiments proved the multi-level state readout, which represents the first steps towards the possibility of im plementing quantum error-correction algorithms within a single molecule-based qudit. In addition, the spin relaxation times were measured, achieving T1 higher than 10 seconds at very low temperatures (T < 200 mK). The impurity of the 172Ytterbium isotope allowed a direct estimation of the crystal thermal fluctu ations at very low temperatures (T < 40 mK), which limits the qubit initializa tion.
• The second experimental achievement, constituted by chapter 5, is characterized by the development of the resonators for complementary platforms to this QPU. In this part, first, a different spin system is studied, compatible with a quantum gate implementation. The experimental detection of the hyperfine structure of this dimer system, totaling 256 electronuclear energy levels, is realized. The sig natures of these transitions in the dispersive regime show that other candidates are also compatible with the hybrid spin-resonator platform. In the second half, superconducting tunable resonators are developed for achieving fine control over the resonator frequency. The tunability range around 50 MHz shows the po tential of the proposed architecture. Furthermore, the characteristic times of this system are found to be around microseconds, several orders of magnitude faster than the relaxation times from 173Ytterbium, making them practical for operations in this system and proving the possible implementation in this hy brid platform. In addition, these resonators enable potential uses as parametric amplifiers, another technology needed in quantum experiments to reduce the experimental thermal noise.
• The last experimental milestone, explained in chapter 6, involves the develop ment of these resonators with a focus on quantum sensing; in particular, as elec tron paramagnetic resonance spectrometers and kinetic inductance detectors, demonstrating the versatility of these superconducting resonators. Specifically, the resonators are proposed as spectrometers for metalloproteins. In these ex periments, the successful detection of myoglobin, a protein present in the blood, represents the first measurements of this protein in conditions inaccessible for commercial instruments, with temperatures in the millikelvin regime and for a very low number of spins (N = 8.6·1011). In the last experiment, the ground work for detecting dark matter with kinetic inductance detectors was carried out. The results show compatible materials, such as the Ti/Al bilayer used, and design properties through a Hilbert inductor compatible with dark matter detectors. The prototype was successful and led to the next experiments that demonstrated high sensitivity.
• Finally, the conclusions of this work are presented in chapter 7. Addressing the results obtained in this work and their future perspectives.
Esta tesis presenta el desarrollo de resonadores superconductores como una plataforma para una unidad de procesamiento cuántico (en inglés, QPU) basada en moléculas magnéticas. La principal motivación detrás de este trabajo es investigar alternativas a dispositivos de computación cuántica actuales, abordando sus típicas limitaciones, como tiempos de relajación rápidos o la necesidad de escalado de los qubits físicos, que incrementa la complejidad de procesadores cuánticos. La electrodinámica cuántica de circuitos (en inglés, cQED) permite estudiar la interacción entre los resonadores y las moléculas, incluyendo la optimización de la interacción entre ambos. Las difer entes geometrías del resonador se prueban para optimizar el acoplo espín-fotón. Este manuscrito está dividido en cuatro partes diferentes, incluyendo tres logros experimentales.
• La primera parte de esta tesis, constituida por los capítulos 1, 2 y 3, empieza con una breve introducción y la motivación detrás de este trabajo. Después de esto, se desarrolla la base teórica necesaria para interpretar correctamente los resultados experimentales, incluyendo los fundamentos de los resonadores su perconductores, la física de los sistemas de espín y la teoría de electrodinámica cuántica de circuitos. Finalmente, se explican los métodos experimentales, in cluyendo el proceso de diseño, fabricación e instrumentación, todos necesarios para la realización de esta tesis.
• El primer logro experimental, explicado en el capítulo 4, trata sobre el uso del isótopo 173 de iterbio como un candidato a qudit. En esta parte, se lleva a cabo una caracterización profunda de estas moléculas; desde su espectroscopía en banda ancha hasta su acoplo espín-fotón con los resonadores. Los experimentos han demonstrado la fuerte cooperatividad (C > 10) en este sistema híbrido. De spués, los experimentos en régimen dispersivo han probado la lectura de estado multinivel, que supone los primeros pasos hacia la posibilidad de implementar algoritmos cuánticos de corrección de errores en un qudit basado en moléculas. Además, se han medido los tiempos de relajación del espín, alcanzando T1 may ores a 10 segundos a temperaturas extremadamente bajas (T < 200 mK). La impureza del isótopo 172 de iterbio ha permitido la estimación directa de las fluctuaciones térmicas del cristal a muy bajas temperaturas (T < 40 mK), que limita la inicialización del qudit.
• El segundo logro experimental, constituido por el capítulo 5, se caracteriza por el desarrollo de los resonadores para investigar plataformas complementarias a este procesador cuántico. En esta parte, primeramente se estudia un sistema de espín diferente como posible candidato a qudit. Se ha llevado a cabo la detección experimental de la estructura hiperfina de un sistema de dímeros, con un total de 256 niveles de energía. Los indicios de estas transiciones en el régimen disper sivo muestran que otros candidatos también son compatibles con la plataforma híbrida resonador-espín. En la segunda parte, se han desarrollado resonadores superconductores sintonizables para conseguir un control fino sobre la frequen cia de resonancia. El rango de sintonización es alrededor de 50 MHz y muestra el potencial de la arquitectura propuesta. Además, los tiempos característicos del sistema están en los microsegundos, que son varios órdenes de magnitud más rápidos que los tiempos de relajación del isótopo 173 de iterbio, lo cual los hace prácticos para operaciones en este sistema y su posible implementación en la plataforma híbrida. Además, estos resonadores sintonizables también pueden ser aprovechados como amplificadores paramétricos, otra tecnología necesaria en experimentos cuánticos para reducir el ruido térmico experimental.
• El último hito experimental, explicado en el capítulo 6, trata sobre el desar rollo de estos resonadores con un enfoque en sensado cuántico, en particular como espectrómetro de resonancia electroparamagnética y como detectores de inductancia cinética, demonstrando así la versatilidad de estos resonadores su perconductores. Específicamente estos resonadores se han propuesto como es pectrómetros de metaloproteínas. En estos experimentos, la exitosa detección de mioglobina, una proteína presente en la sangre, representa las primeras me didas de esta proteína en unas condiciones innacesibles para los instrumentos comerciales, con temperaturas en el régimen de milikelvin y para un número muy bajo de espines (8.6 · 1011). En el último experimento, se ha llevado a cabo el trabajo preliminar para la detección de materia oscura con detectores de inductancia cinética. Estos resultados muestran materiales como la bicapa de Ti/Al usada y propiedades del diseño con un inductor tipo Hilber compati bles como detectores de materia oscura. El prototipo ha sido exitoso y ha dado lugar a los siguientes experimentos que han demostrado su alta sensibilidad.
• Finalmente, las conclusiones de este trabajo se presentan en el capítulo 7. Que aborda los resultados obtenidos en este trabajo y las perspectivas futuras.
