Implémentation d'un bit quantique dans un circuit supraconducteur

Grégoire Ithier

Fatma Hamzaoui, Besma Othmani, Roselyne Chotin-Avot +3 more

Audrey Cottet

Il existe des projets d'ordinateurs quantiques pour résoudre certains problèmes difficiles, comme la factorisation des grands nombres, beaucoup plus rapidement qu'avec un ordinateur classique. L'unité de base de l'ordinateur quantique est un système quantique à deux niveaux nommé bit quantique, qui doit satisfaire des critères très stricts. Parmi les nombreux systèmes proposés pour réaliser un bit quantique, les circuits électroniques sont des candidats intéressants en raison de leur grande intégrabilité. L'objet ce cette thèse est de réaliser un bit quantique à partir d'un circuit supraconducteur à base de jonctions Josephson nommé ``boîte à paires de Cooper''. L'état de cette boîte peut être déterminé soit par une mesure de courant, soit par une mesure de charge. Dans cette thèse sont étudiées trois différentes stratégies pour réaliser le bit quantique, qui diffèrent par le mode de lecture de l'état de la boîte. Pour chaque stratégie, le temps de vie d'une superposition cohérente d'états de la boîte est évaluée théoriquement et l'appareil de mesure associé est testé expérimentalement. Cette étude permet de déterminer la stratégie la plus prometteuse qui est finalement implémentée dans ce travail de thèse sous le nom de ``quantronium''. L'état du quantronium a été manipulé à l'aide d'impulsions radiofréquence, et le temps de vie d'une superposition quantique d'états de ce circuit a été déterminée. Ce temps est suffisamment long pour envisager la construction de portes logiques élémentaires.

Théau Peronnin

Construction et manipulation d’un nœud quantique d’un réseau microonde Après des années de développement académique, l’électrodynamique quantique en circuit entre dans l’ère des applications. Cette thèse a été réalisée dans une volonté de créer des outils pour faire le lien entre une curiosité académique quantique, les circuits supraconducteurs, et un objectif majeur, l’ordinateur quantique universel. Une architecture vraisemblable de processeur quantique consiste à connecter en réseau un grand nombre de modules élémentaires. Lors de cette thèse expérimentale, le noeud d’un tel réseau, le quantum node, a été développé et fabriqué grâce aux techniques de l’état de l’art des circuits imprimés quantiques microonde. Ce circuit a été utilisé pour réaliser pour la première fois une méthode de lecture séquentielle d’un qubit supraconducteur. Cette méthode, proposée en 2013 par Sete et al., permettrait une lecture plus rapide et plus précise des qubits supraconducteurs. La lecture des qubits est l’un des obstacles majeurs limitant le développement d’ordinateurs quantiques universels sans erreur, ce qui rend ce projet autant intéressant pour sa mise en oeuvre inédite du quantum node que pour ses applications. Cette nouvelle méthode de lecture atteint des performances proches de l’état de l’art alors même que le circuit n’était pas optimisé pour cette fin. Lors de cette thèse, nous avons aussi contribué à deux autres expériences d’optique quantique microonde, détaillées ici. Un circuit dédié a été développé pour démontrer une nouvelle forme de mesure quantique : la mesure multiplexée du nombre de photons. Dans cette expérience, menée par A. Essig et Q. Ficheux, un qubit supraconducteur est lu simultanément à plusieurs fréquences pour extraire plus d’un bit d’information à la fois à propos du nombre de photons contenus dans un résonateur microonde couplé à un qubit. Enfin, nous avons contribué à la démonstration expérimentale de la suppression exponentielle des bit-flips dans un qubit encodé dans un état de chat de Schrödinger d’un mode microonde. Cette expérience, menée par R. Lescanne et Z. Leghtas, démontre une augmentation par un facteur 300 du temps de vie du qubit grâce à la correction d’erreur quantique autonome réalisée grâce à l’ingénierie de la dissipation d’un mode microonde.

Li-Jing Jin

Les circuits quantiques supraconducteurs sont étudiés dans de nombreux laboratoires. Ces recherches ont pour objectif de pouvoir construire et coupler plusieurs bits quantiques supraconducteurs pour le traitement de l'information quantique. La description théorique de ces circuits repose sur la dynamique couplée des différences de phase supraconductrice aux jonctions Josephson et des degrés de liberté associés à l’environnement électromagnétique. Cette dynamique non-linéaire a été très étudiée dans le régime classique. Les effets quantiques ont été abordés par des théories de perturbation supposant que certains degrés de liberté sont thermalisés. En revanche, il existe peu de résultats sur la dynamique quantique couplée dans un régime non perturbatif. Le but du projet de thèse sera de décrire le crossover entre les régimes classique et quantique dans le cas d’une jonction Josephson en série avec un résonateur électromagnétique. Pour cela, le candidat étudiera les équations maîtresses pour ce système par des méthodes analytiques et numériques. L’objectif à plus long terme sera de comprendre comment générer et manipuler des photons grâce au contrôle électrique résolu en temps de ces circuits.

Fahem Benbouya, Smail Berrah, promoteur