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Backaction et retour quantiques dans les circuits supraconducteurs

Philippe Campagne-Ibarcq

Published Jun 26, 2015• 1 citation
Publisher

Abstract

Cette thèse décrit une série d’expériences mettant en lumière l’action en retour de la mesure et la décohérence pour un système quantique ouvert élémentaire, le qubit supraconducteur. Ces observations sont rendues possibles grâce au développement récent d’amplificateurs Josephson proches de la limite quantique. L’information extraite du système peut être utilisée dans des boucles de rétroaction quantique. Pour stabiliser un état arbitraire prédéterminé du qubit, une mesure projective est réalisée périodiquement et une boucle de rétroaction permet de corriger les erreurs détectées. En se substituant à l'environnement et en réalisant une mesure hétérodyne continue de la fluorescence du qubit, nous reconstituons des trajectoires quantiques individuelles lors de sa relaxation. En conditionnant cette détection au résultat d'une mesure projective postérieure, nous déterminons les weak values du signal de fluorescence. En formant une boucle de rétroaction continue à partir de ce signal, nous stabilisons également un état arbitraire du qubit. Enfin, nous observons dans une dernière expérience la dynamique quantique Zénon d'un mode micro-onde, induite par son couplage au qubit.

DOI
10.70675/17174a62z7d65z4bfdza22cz8fc8a6ed312a

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L'utilisation de boucles de rétroaction est au cœur de nombreux systèmes de contrôle classiques. Un contrôleur compare le signal mesuré par une sonde à la valeur de consigne. Il dirige alors un actionneur pour stabiliser le signal autour de la valeur ciblée. Étendre ces concepts au monde quantique se heurte à une difficulté fondamentale : le processus de mesure modifie inévitablement par une action en retour le système à contrôler. Dans ce mémoire, nous présentons la première réalisation d'une boucle de rétroaction quantique utilisée en continu. Le système contrôlé est un mode du champ électromagnétique piégé dans une cavité Fabry-Pérot micro-onde de très haute finesse. Des atomes de Rydberg circulaires réalisent par une succession de mesures dites faibles une mesure quantique non-destructive du nombre de photons dans le mode. Étant donnés les résultats de ces mesures, et connaissant toutes les imperfections expérimentales du système, un ordinateur de contrôle estime en temps réel la matrice densité du champ piégé dont il déduit l'amplitude de champs micro-ondes classiques à injecter permettant de stabiliser l'état du champ autour d'un état cible. Dans ce mémoire, nous montrons comment nous avons été capables de préparer sur demande et de stabiliser les états de Fock du champ contenant de 1 à 4 photons.

•Jan 1, 2011•2 citations

Quantum trajectories with incompatible decoherence channels

Quentin Ficheux

Au contraire de sa version classique, une mesure quantique perturbe nécessairement l’état du système. Ainsi, la mesure projective d’un spin-1/2 selon une direction rend parfaitement aléatoire le résultat d’une mesure successive de la composante du même spin le long d’un axe orthogonal. Dans cette thèse, nous discutons des expériences basées sur les circuits supraconducteurs qui permettent de mettre en évidence cette action en retour de la mesure. Nous mesurons en particulier la dynamique d’un qubit supraconducteur dont on révèle simultanément les trois composantes de Bloch x, y et z. Deux techniques récentes sont utilisées pour réaliser ces enregistrements simultanés. Les composantes x et y sont obtenues par la mesure des deux quadratures du champ de fluorescence émis par le qubit. La composante z est quant à elle obtenue en sondant une cavité non résonante couplée de manière dispersive au qubit. La fréquence de la cavité dépend de l’énergie du qubit et la force de cette dernière mesure peut être ajustée in situ en faisant varier la puissance de la sonde. Ces observations sont rendues possibles grâce aux avancées récentes dans l’amplification ultrabas bruit des signaux micro-onde grâce aux circuits Josephson. Cette thèse détaille toutes ces techniques à la fois théoriquement et expérimentalement et présente différents résultats annexes inédits. En présence des mesures simultanées, nous montrons que l’état du système diffuse à l’intérieur de la sphère de Bloch en suivant une marche aléatoire dont les pas obéissent aux lois de l’action en retour de mesures incompatibles. Les trajectoires quantiques associées ont des dynamiques allant du régime diffusif au régime de blocage de Zénon soulignant l’interaction non-triviale des actions en retours des deux mesures incompatibles effectuées. En conditionnant les enregistrements aux résultats d’une mesure projective finale, nous mesurons également les valeurs faibles des composantes de notre qubit et démontrons qu’elles dépassent les valeurs extrémales moyennes. La thèse discute en détail de la statistique des trajectoires obtenues.

•Dec 7, 2018•4 citations

Quantum information with superconducting circuits

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Ce mémoire présente ma contribution à l'avènement des circuits supraconducteurs comme composant de base des systèmes d'information quantique. Les variables macroscopiques des circuits électriques, telles que la tension et le courant, obéissent aux lois de la mécanique quantique tant qu'elles sont suffisamment découplées de leur environnement. Depuis que les premiers qubits supraconducteurs ont été réalisés il y a 15 ans, leurs temps de cohérence ont augmenté de 5 ordres de grandeur grâce à un meilleur contrôle de l'environnement électromagnétique des jonctions Josephson. Sur ces systèmes remarquables, nous avons réalisé des expériences qui illustrent quelques uns des aspects les plus non classiques de l'information quantique. - Les variables quantiques fluctuent même à température nulle. Ces fluctuations de point zéro imposent à un détecteur d'ajouter au moins un minimum de bruit. Nous explorons les limites quantiques de l'amplification pour des signaux microonde itinérants, et décrivons un circuit supraconducteur concret, le mixeur Josephson, capable d'atteindre cette limite. - Contrairement à l'information classique, l'information quantique peut être stockée de manière délocalisée dans l'espace grâce à l'intrication. Nous décrivons le premier circuit capable d'intriquer deux modes de champ microonde itinérants à différentes fréquences et sur des lignes de transmission séparées. Nous présentons aussi un dispositif capable de stocker un champ microonde intriqué avec un champ propageant. - La mesure d'un système quantique conduit à une réaction sur son état sans équivalent classique. Nous présentons une expérience où la trajectoire de l'état qubit est protégée de la décohérence par rétroaction basée sur la mesure. Cette expérience illustre le rôle central de la réaction d'une mesure quantique pour le contrôle par rétroaction et donc pour la correction quantique d'erreur. - Les mesures faibles fournissent une information partielle sur un système. Comme les mesures quantiques modifient l'état du système, les règles classiques de Bayes doivent être modifiées pour prédire la probabilité de trouver un résultat donné sachant qu'un certain résultat sera trouvé dans une autre mesure future. Nous décrivons une expérience où la fluorescence émise par un qubit est enregistrée dans le temps, ce qui peut être interprété comme une mesure faible et continue du qubit. L'influence de conditions sur les mesures passées et futures est explorée.

•Jan 1, 2014•0 citations

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•Dec 7, 2018•0 citations

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Dans cette thèse, nous étudions des rétroactions visant à stabiliser des systèmes quantiques en temps discret soumis à des mesures quantiques non-destructives (QND), ainsi que la stabilité des filtres quantiques à temps continu. Cette thèse comporte deux parties. Dans une première partie, nous généralisons les méthodes mathématiques sous-jacentes à une rétroaction quantique en temps discret testée expérimentalement au Laboratoire Kastler Brossel (LKB) de l'École Normale Supérieure (ENS) de Paris. Plus précisément,nous contribuons à un algorithme de contrôle qui a été utilisé lors de cette expérience récente de rétroaction quantique. L'expérience consiste en la préparation et la stabilisation à la demande d'états nombres de photons (états de Fock) d'un champ de micro-ondes au sein d'une cavité supraconductrice. Pour cela, nous concevons des filtres à temps-réel permettant d'estimer les états quantiques malgré des imperfections et des retards de mesure, et nous proposons une loi de rétroaction assurant la stabilisation d'un état cible prédéterminé. Cette rétroaction de stabilisation est obtenue grâce à des méthodes Lyapunov stochastique et elle repose sur un filtre estimant l'état quantique. Nous prouvons qu'une telle stratégie de contrôle se généralise à d'autres systèmes quantiques en temps discret soumis à des mesures QND. Dans une seconde partie, nous considérons une extension du résultat obtenu pour des filtres quantiques en temps discret au cas des filtres en temps continu. Dans ce but, nous démontrons la stabilité d'un filtre quantique associé à l'équation maîtresse stochastique usuelle découlant par un processus de Wiener. La stabilité signifie ici que la “distance”entre l'état physique et le filtre quantique associé décroit en moyenne. Cette partie étudie également la conception d'un filtre optimal en temps continu en présence d'imperfections de mesure. Pour ce faire, nous étendons la méthode utilisée précédemment pour construire les filtres quantiques en temps discret tolérants aux imperfections de mesure. Enfin,nous obtenons heuristiquement des filtres optimaux généraux en temps continu, dont la dynamique est décrite par des équations maîtresses stochastiques découlant à la fois par processus de Poisson et Wiener. Nous conjecturons que ces filtres optimaux sont stables.

•Sep 27, 2012•0 citations
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Au contraire de sa version classique, une mesure quantique perturbe nécessairement l’état du système. Ainsi, la mesure projective d’un spin-1/2 selon une direction rend parfaitement aléatoire le résultat d’une mesure successive de la composante du même spin le long d’un axe orthogonal. Dans cette thèse, nous discutons des expériences basées sur les circuits supraconducteurs qui permettent de mettre en évidence cette action en retour de la mesure. Nous mesurons en particulier la dynamique d’un qubit supraconducteur dont on révèle simultanément les trois composantes de Bloch x, y et z. Deux techniques récentes sont utilisées pour réaliser ces enregistrements simultanés. Les composantes x et y sont obtenues par la mesure des deux quadratures du champ de fluorescence émis par le qubit. La composante z est quant à elle obtenue en sondant une cavité non résonante couplée de manière dispersive au qubit. La fréquence de la cavité dépend de l’énergie du qubit et la force de cette dernière mesure peut être ajustée in situ en faisant varier la puissance de la sonde. Ces observations sont rendues possibles grâce aux avancées récentes dans l’amplification ultrabas bruit des signaux micro-onde grâce aux circuits Josephson. Cette thèse détaille toutes ces techniques à la fois théoriquement et expérimentalement et présente différents résultats annexes inédits. En présence des mesures simultanées, nous montrons que l’état du système diffuse à l’intérieur de la sphère de Bloch en suivant une marche aléatoire dont les pas obéissent aux lois de l’action en retour de mesures incompatibles. Les trajectoires quantiques associées ont des dynamiques allant du régime diffusif au régime de blocage de Zénon soulignant l’interaction non-triviale des actions en retours des deux mesures incompatibles effectuées. En conditionnant les enregistrements aux résultats d’une mesure projective finale, nous mesurons également les valeurs faibles des composantes de notre qubit et démontrons qu’elles dépassent les valeurs extrémales moyennes. La thèse discute en détail de la statistique des trajectoires obtenues.
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Trajectoires quantiques avec canaux de décohérence incompatibles Au contraire de sa version classique, une mesure quantique perturbe nécessairement l’état du système. Ainsi, la mesure projective d’un spin-1/2 selon une direction rend parfaitement aléatoire le résultat d’une mesure successive de la composante du même spin le long d’un axe orthogonal. Dans cette thèse, nous discutons des expériences basées sur les circuits supraconducteurs qui permettent de mettre en évidence cette action en retour de la mesure. Nous mesurons en particulier la dynamique d’un qubit supraconducteur dont on révèle simultanément les trois composantes de Bloch x, y et z. Deux techniques récentes sont utilisées pour réaliser ces enregistrements simultanés. Les composantes x et y sont obtenues par la mesure des deux quadratures du champ de fluorescence émis par le qubit. La composante z est quant à elle obtenue en sondant une cavité non résonante couplée de manière dispersive au qubit. La fréquence de la cavité dépend de l’énergie du qubit et la force de cette dernière mesure peut être ajustée in situ en faisant varier la puissance de la sonde. Ces observations sont rendues possibles grâce aux avancées récentes dans l’amplification ultrabas bruit des signaux micro-onde grâce aux circuits Josephson. Cette thèse détaille toutes ces techniques à la fois théoriquement et expérimentalement et présente différents résultats annexes inédits. En présence des mesures simultanées, nous montrons que l’état du système diffuse à l’intérieur de la sphère de Bloch en suivant une marche aléatoire dont les pas obéissent aux lois de l’action en retour de mesures incompatibles. Les trajectoires quantiques associées ont des dynamiques allant du régime diffusif au régime de blocage de Zénon soulignant l’interaction non-triviale des actions en retours des deux mesures incompatibles effectuées. En conditionnant les enregistrements aux résultats d’une mesure projective finale, nous mesurons également les valeurs faibles des composantes de notre qubit et démontrons qu’elles dépassent les valeurs extrémales moyennes. La thèse discute en détail de la statistique des trajectoires obtenues.
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