Un excellent candidat pour la réalisation d'un ordinateur quantique est le qubit supraconducteur. Il s'agit d'un système dont le spectre est discret et dont les niveaux d'énergie sont séparés de manière anharmonique. On peut donc dire qu'il s'agit d'une réalisation en circuit d'un atome artificiel. Afin de contrôler cet atome artificiel, on s'inspire de l'électrodynamique quantique en cavité, où un atome interagit avec le champ électromagnétique confiné dans une cavité. À l'aide de circuit, il est possible d'atteindre des forces de couplage lumière-matière impossible à atteindre en cavité. Le système proposé par Blais remplace les atomes par des qubits supraconducteurs et la cavité par un résonateur coplanaire supraconducteur. Malheureusement, obtenir des solutions numériques pour ce problème devient rapidement très demandant et ce, surtout en présence d'une excitation extérieure de grande amplitude. Dans ce cas, plusieurs approximations ne tiennent plus lorsqu'on s'intéresse à la physique de ce système. Par exemple, à forte puissance, les qubits supraconducteurs ne peuvent plus être traités comme de simples systèmes à deux niveaux. On doit effectivement tenir compte des niveaux supérieurs du qubit. Un exemple de cette difficulté est la mesure à avalanche, qui permet de déterminer l'état initial d'un qubit en regardant le nombre de photons dans le résonateur dans son état stationnaire. Dans un certain régime de paramètres, il est possible d'atteindre un nombre de l'ordre de 10[indice supérieur 5] photons lors de cette mesure. Ceci correspond à un espace de Hilbert très grand, de sorte que trouver numériquement l'état stationnaire est un défi, mais simuler la dynamique de ce système est un défi encore plus grand. Il faut donc se tourner vers des approximations ou des techniques numériques différentes pour parvenir à saisir la dynamique de ces systèmes. C'était donc la motivation première de ce projet. Pour y parvenir, il a fallu utiliser diverses méthodes numériques, ainsi que quelques approximations. Avec ces méthodes, on a étudié la dynamique de deux types de mesure qui se produisent à très grand nombre de photons et donc nécessitant un très grand espace de Hilbert.
Un excellent candidat pour la réalisation d'un ordinateur quantique est le qubit supraconducteur. Il s'agit d'un système dont le spectre est discret et dont les niveaux d'énergie sont séparés de manière anharmonique. On peut donc dire qu'il s'agit d'une réalisation en circuit d'un atome artificiel. Afin de contrôler cet atome artificiel, on s'inspire de l'électrodynamique quantique en cavité, où un atome interagit avec le champ électromagnétique confiné dans une cavité. À l'aide de circuit, il est possible d'atteindre des forces de couplage lumière-matière impossible à atteindre en cavité. Le système proposé par Blais remplace les atomes par des qubits supraconducteurs et la cavité par un résonateur coplanaire supraconducteur. Malheureusement, obtenir des solutions numériques pour ce problème devient rapidement très demandant et ce, surtout en présence d'une excitation extérieure de grande amplitude. Dans ce cas, plusieurs approximations ne tiennent plus lorsqu'on s'intéresse à la physique de ce système. Par exemple, à forte puissance, les qubits supraconducteurs ne peuvent plus être traités comme de simples systèmes à deux niveaux. On doit effectivement tenir compte des niveaux supérieurs du qubit. Un exemple de cette difficulté est la mesure à avalanche, qui permet de déterminer l'état initial d'un qubit en regardant le nombre de photons dans le résonateur dans son état stationnaire. Dans un certain régime de paramètres, il est possible d'atteindre un nombre de l'ordre de 10[indice supérieur 5] photons lors de cette mesure. Ceci correspond à un espace de Hilbert très grand, de sorte que trouver numériquement l'état stationnaire est un défi, mais simuler la dynamique de ce système est un défi encore plus grand. Il faut donc se tourner vers des approximations ou des techniques numériques différentes pour parvenir à saisir la dynamique de ces systèmes. C'était donc la motivation première de ce projet. Pour y parvenir, il a fallu utiliser diverses méthodes numériques, ainsi que quelques approximations. Avec ces méthodes, on a étudié la dynamique de deux types de mesure qui se produisent à très grand nombre de photons et donc nécessitant un très grand espace de Hilbert.
En optique quantique en cavité, un atome interagit avec un ou plusieurs modes discrets du champ électromagnétique d'une cavité résonante. Les circuits supraconducteurs permettent d'explorer cette physique dans un régime de paramètres différents. On s'intéresse dans ce travail à la physique du système proposé par Blais et al. [1], dans lequel un qubit de charge joue le rôle de l'atome et un résonateur coplanaire remplace la cavité résonante tridimensionnelle. On étudie en particulier le cas où la fréquence de transition de l'atome est très différente de celle de la cavité. Dans cette situation, l'échange d'énergie entre l'atome artificiel et le résonateur est difficile. Ce régime est généralement modélisé par le modèle dispersif, obtenu par une théorie de perturbation au premier ordre. Dans ce modèle, la fréquence de l'atome artificiel qu'est le qubit de charge est modifiée par la présence du résonateur par les effets dits de Lamb et de Stark. Cependant, ce développement linéaire n'est plus valide si l'échange d'énergie est facilité par une grande constante de couplage ou par un nombre élevé de photons dans le résonateur. On s'intéresse ici à développer la théorie de perturbation qui donne le modèle dispersif à des ordres supérieurs. On développe deux modèles simples pour décrire le système en tenant compte des perturbations d'ordre supérieur. Pour le premier modèle, on utilise une transformation unitaire pour découpler le qubit du résonateur. Dans le deuxième modèle, on utilise une approche de type champ moyen pour obtenir des équations similaires aux équations de Bloch en résonance magnétique nucléaire. En étudiant ces deux modèles, on trouve que les photons du résonateur, qui ont une fréquence très éloignée de celle du qubit, agissent comme un bain thermique sur le qubit. On trouve aussi que les taux de relaxation et de déphasage effectifs du qubit sont modifiés par la présence de photons. On montre que ces effets peuvent diminuer le rapport signal sur bruit et ainsi réduire l'efficacité d'une mesure du qubit. On suggère enfin différentes façons de vérifier ces résultats théoriques par l'expérience.
L'électrodynamique quantique en circuit est un contexte unique pour l'optique quantique et le calcul quantique. Dans cette architecture où des qubits supraconducteurs, composés de jonctions Josephson, sont fortement couplés au champ électromagnétique de résonateurs coplanaires, la dynamique du système est semblable à celle des atomes dans des cavités optiques. La polyvalence de la conception des circuits supraconducteurs permet d'étudier l'interaction lumière-matière de différents régimes et manières. Ainsi, plusieurs qubits peuvent être couplés à un seul résonateur afin de les enchevêtrer. Une jonction Josephson peut également être intégrée directement au résonateur afin de produire une interaction non linéaire entre les photons. De la même manière, il a été suggéré que le couplage qubit-résonateur pourrait devenir l'échelle d'énergie dominante du système : le régime de couplage ultrafort. Malgré que la dynamique qubit-résonateur soit bien comprise, les modèles actuels ne permettent pas de prédire correctement les effets dispersifs du résonateur sur les qubits tels : le décalage de Lamb, l'interaction d'échange virtuelle et le temps de relaxation. Comme il n'y a pas non plus de modèle général permettant de déterminer les caractéristiques d'un résonateur non linéaire, on comprend mal comment rendre la non-linéarité plus forte, ni même si le régime de couplage ultrafort peut être physiquement réalisé dans ces circuits. Dans le cadre de ma thèse, je me suis intéressé à la modélisation de qubits et de résonateurs afin de mieux comprendre l'interaction lumière-matière en circuits, dans le but de développer des conceptions alternatives d'architectures plus performantes ou qui explorent des régimes d'interactions méconnus. Pour ce faire, j'ai développé une méthode analytique générale permettant de trouver l'hamiltonien exact de circuits distribués non linéaires, une méthode basée sur la mécanique lagrangienne et la représentation des modes propres d'oscillation. La grande qualité de la méthode réside dans la description analytique détaillée des paramètres de l'hamiltonien du système en fonction de la géométrie et des caractéristiques électromagnétiques du circuit. Non seulement le formalisme développé réconcilie le modèle quantique avec l'électromagnétisme classique et la théorie des circuits, mais va bien au-delà en formulant d'importantes prédictions sur la nature des interactions et l'influence des fluctuations du vide du résonateur sur la dynamique des qubits supraconducteurs. À l'aide d'exemples numériques réalistes et compatibles avec les technologies actuelles, je montre comment de simples optimisations de conception permettraient d'augmenter grandement l'efficacité et la rapidité d'exécution de calculs quantiques avec l'architecture, en plus d'atteindre des régimes de non-linéarité et de couplage lumière-matière inédits. En permettant de mieux comprendre l'interaction lumière-matière dans les circuits et d'optimiser l'architecture afin d'atteindre de nouveaux régimes de couplages, la méthode d'analyse de circuit développée dans cette thèse permettra de tester et raffiner nos connaissances sur l'électrodynamique quantique et la physique quantique.
L'électrodynamique quantique en cavité et en circuit étudie l'interaction lumière-matière à son stade le plus fondamental, dans lequel un atome unique, qu'il soit naturel ou artificiel, interagit avec un seul mode du champ électromagnétique. Dans ce système, le confinement du champ augmente l'intensité de l'interaction jusqu'à permettre d'observer l'échange cohérent de quanta entre lumière et matière [1, 2, 3]. Récemment, des expériences réalisées à l'aide de qubits supraconducteurs ont démontré des couplages record caractéristiques d'un nouveau régime, dit ultra-fort, dans lequel l'état fondamental n'est plus le vide, mais un état fortement intriqué entre l'atome et le champ [4, 5]. Malgré cet accroissement gigantesque du couplage lumière-matière, ce dernier est le plus souvent négligé lorsqu'on considère l'interaction de ce système avec son environnement. En effet, la plupart des travaux théoriques publiés récemment décrivent la dynamique dissipative du système atome-cavité en se basant sur l'équation maîtresse de l'optique quantique, un modèle valide seulement dans le cas de l'atome ou du résonateur séparés [6, 7, 8, 9]. Dans ce travail, on démontre qu'employer l'équation maîtresse de l'optique quantique en couplage ultra-fort mène des prédictions qui violent la conservation de l'énergie. Pour pallier ce problème, on établit un modèle de la dissipation qui inclut le couplage atome-champ. On montre en particulier que des fluctuations aléatoires dans la fréquence de l'atome artificiel peuvent générer des excitations dans le système des fréquences précises. On indique aussi que des oscillations cohérentes à ces fréquences dans l'espacement des niveaux de l'atome pourraient être utiles pour accélérer le contrôle cohérent du système quantique. Notre modèle prédit finalement une asymétrie dans les raies de spectroscopie du système atome-cavité qui pourrait être exploitée pour sonder la densité spectrale de bruit de l'environnement des fréquences jusqu'à ce jour inexplorées.
L'électrodynamique quantique en guide d'onde étudie le comportement de circuits électriques supraconducteurs composés entre autres de jonctions Josephson et de lignes à transmission. Ces circuits présentent peu de pertes puisqu'ils sont supraconducteurs. De plus, grâce à la non-linéarité des jonctions Josephson, ils peuvent présenter des comportements typiquement quantiques. Dans cette thèse, nous élaborons un cadre théorique qui permet de traiter la connexion entre les lignes à transmission et les éléments de circuits localisés (lumped element). Nous présentons ensuite la théorie d'entrée-sortie dans le contexte de ce cadre théorique. Comme son nom l'indique, celle-ci lie les observables à la sortie du circuit à celles à son entrée et elle permet de faire des prédictions expérimentales. Nous obtenons aussi une équation maîtresse qui décrit le circuit lorsque l'information contenue dans les lignes à transmission est perdue ou ignorée. Nous utilisons le cadre théorique développé pour étudier la situation où deux circuits qui se comportent chacun comme un atome sont connectés à une ligne à transmission. Nous montrons que la physique dans ce type de système dépend de la distance entre les deux atomes artificiels. Lorsque la distance est telle que la phase [phi] acquise par le champ électromagnétique entre les deux atomes artificiels est un multiple entier de [pi], on observe qu'une superposition d'états particulière des atomes est couplée à la ligne à transmission. On dit que cet état est brillant tandis que l'autre état est dit sombre. Lorsque la phase [phi] acquise par le champ électromagnétique est un multiple impair de [pi]/2, on observe plutôt une interaction cohérente entre les deux atomes artificiels. Nous suggérerons des protocoles pour observer des signatures expérimentales de cette physique. Nous présentons des résultats expérimentaux obtenus suite à ces prédictions par nos collègues du groupe d'Andreas Wallraff à Zurich. Ces résultats confirment la théorie. Parmi ces données, on retrouve la première mesure d'une signature claire de l'interaction cohérente entre deux atomes. Nous utilisons aussi le cadre théorique développé pour étudier des circuits dans lesquels les inductances dépendent du temps. Nous nous intéressons à ces circuits puisqu'ils sont généralement non réciproque, ce qui en fait des candidats idéaux pour implémenter des circulateurs. Ces dispositifs qui permettent d'obtenir un couplage unidirectionnel entre deux circuits sont généralement réalisés à l'aide d'aimants. Ainsi, un défi important du domaine est de concevoir un circulateur qui peut s'intégrer à un circuit supraconducteur. On utilise notre cadre théorique pour décrire les circuits avec des inductances variables à l'aide d'un opérateur de transfert qui relient les entrées du circuit à ses sorties. Cet objet permet d'extraire les conditions sous lesquelles ce type de circuit se comporte comme un circulateur. On utilise aussi l'opérateur de transfert pour étudier un modèle de circuit qui sera testé sous peu par nos collaborateurs de JILA dans le but d'implémenter un des premiers circulateurs sans conversion de fréquence nette, sans pertes et sans ferrite. On montre que ce modèle de circuit se comporte bien comme un circulateur, avec une largeur de bande de l'ordre de 200 MHz et un niveau d'imperfections de -20 dB.
Mesure et Feedback quantique pour états Photonique fortement non classique Ces dernières années, les progrès réalisés dans le contrôle de l'interaction lumière-matière au niveau quantique ont conduit à de nombreuses avancées en optique quantique, en particulier dans l'étude de phénomènes quantiques fondamentaux, dans la conception de systèmes quantiques artificiels et dans les applications en information quantique. Il a notamment été possible d'augmenter considérablement l'intensité de l'interaction lumière-matière et de contrôler le couplage de systèmes quantiques à leur environnement, afin d'obtenir des états non conventionnels et fortement non classiques. Cependant, pour exploiter ces états quantiques en vue d'applications technologiques, il est crucial de pouvoir mesurer et contrôler ces systèmes avec précision. Dans ce contexte, ce travail de thèse est consacré à l'étude de nouveaux protocoles pour la mesure et le contrôle de systèmes quantiques dans lesquels des fortes interactions et des symétries particuliers conduisent à la génération d'états fortement non classiques. Nous nous intéressons dans un premier temps au régime de couplage ultra-fort de l'électrodynamique quantique en cavité (et de circuit). Plus précisément, l'état de fondamental n'est plus le vide standard, car il devient énergiquement favorable qu'il contienne des photons.Dans ce régime on peut même obtenir des chat de Schrödinger comme état fondamental.En revanche, pour assurer la conservation de l'énergie, les photons contenus dans ce vide exotique sont liés à la cavité et ne peuvent pas s'échapper dans l'environnement. Cela signifie qu'ils ne peuvent être mesurés par simple photodétection. Nous proposons dans ce travail un protocole spécialement conçu pour surmonter cette difficulté. Nous montrons qu'il est possible de déduire les propriétés photoniques de l'état fondamental à partir du déplacement de Lamb d'un système à deux niveaux auxiliaire.Les résonateurs optiques à paires de photons constituent une autre classe de systèmes dans lesquels la symétrie de parité conduit à des états quantiques non conventionnels. Grâce à "l'ingénierie de réservoir", il est aujourd'hui possible de contrôler l'interaction d'un système avec son environnement, de façon à le stabiliser dans des états quantiques particulièrement intéressants. En particulier, quand un résonateur (une cavité optique) est couplé à l'environnement par échange de paires de photons, il est possible de créer de chats de Schrödinger optiques dans la dynamique transitoire du système. Les corrélations quantiques de ces états sont par contre rapidement perdues en raison de la présence inévitable de dissipation à un photon. Protéger le système contre cette perturbation est le but du protocole de feedback basé sur la parité que nous présentons dans cette thèse
La mesure projective est une tâche qu’un ordinateur quantique universel devra effectuer régulièrement. En électrodynamique quantique en circuit, les qubits sont généralement mesurés par l’entremise d’un oscillateur auquel ils sont couplés. Ce mémoire étudie un couplage alternatif à la méthode de couplage conventionnelle. En remplaçant le couplage capacitif par le couplage inductif, on montre que la mesure des qubits supraconducteurs obtient plusieurs des avantages que promet la mesure longitudinale. En simulant l’hamiltonien complet de ce nouveau système, on identifie les limites d’une mesure basée sur le couplage inductif et on montre qu’avec des paramètres de circuit réalistes, il est possible de réaliser une mesure avec une fidélité de 99.9% et un aspect quantique non destructif (QND) au-delà de 99.9% en moins de 15 ns. On étudie également le transmon et le couplage capacitif. On explique pourquoi les opérateurs échelles devraient être évités pour décrire numériquement le transmon et comment ils peuvent être remplacés par des opérateurs dans la base de charge. On présente aussi la mesure dispersive basée sur le couplage capacitif ainsi que ses limites. En étudiant le spectre d’un transmon capacitivement couplé à un oscillateur, on montre l’existence d’un couplage entre les états ionisés du transmon et ses états logiques au-delà d’un certain nombre de photons. Cette observation pourrait expliquer pourquoi le temps de vie d’un transmon diminue lorsqu’on augmente la puissance de mesure. Finalement, on présente 2 réalisations expérimentales du couplage inductif. L’une est une réalisation 2D et l’autre implique un résonateur 3D.