Interaction lumière-matière dans le régime à N-corps des circuits quantiques supraconducteurs Comprendre l'interaction lumière-matière est toujours un sujet d'actualité malgré des décennies de recherche intense. Grâce au large couplage lumière-matière présent dans les circuits quantiques supraconducteurs, il est maintenant possible d'effectuer des expériences où la dynamique d'environnements contenant beaucoup de degrés de liberté, devient pertinente. Ainsi, relier la physique à N-corps, généralement réservée à la matières condensée, et l’optique quantique est à portée de main.Dans ce travail, nous présentons un système totalement accordable in-situ pour étudier l'interaction lumière-matière à N-corps (N grand) dans différents régimes de couplage. Le circuit est constitué d'un bit quantique de type transmon (“la matière”) couplé capacitivement à une chaîne de 4700 jonctions Josephson en géométrie squid. Cette chaîne supporte de nombreux modes électromagnétiques ou modes plasma (“la lumière”). Grâce à la grande inductance cinétique des jonctions Josephson, la chaîne présente une impédance caractéristique élevée ce qui augmente significativement le couplage qubit-modes. Les squids dans le transmon et dans la chaîne nous permettent de modifier la force de ce couplage en appliquant un flux magnétique.Avec ce sytème, nous avons les trois ingrédients requis pour explorer la physique à N-corps: un environnement avec une grande densité de modes électromagnétiques, un couplage lumière-matière ultra-fort, et une non linéarité comparable aux autres échelles d'énergie pertinentes. De plus, nous présentons un traitement de l'effet des fluctuations du vide de ce large nombre de degrées de liberté. Ce qui nous permet d'obtenir un modèle quantitatif et sans paramètre libre de ce système complexe. Finalement, à partir du décalage de phase induit par le transmon sur les modes de la chaîne, le transmon phase shift, nous quantifions l’hybridation du qubit transmon avec plusieurs modes de la chaîne (jusqu'à 10 modes) et obtenons la fréquence de résonance du transmon, ainsi que sa largeur, confirmant que nous sommes dans le régime de couplage ultra-fort.Ce travail démontre que les circuits quantiques sont un outil puissant pour explorer l'optique quantique à N-corps de manière totalement contrôlée. Combiner des métamatériaux supraconducteurs et des qubits devrait permettre de mettre en évidence des effets à N-corps qualitatifs, comme le décalage de Lamb géant, d’observer des états non-classiques de la lumière ou la production de particules ou encore de simuler des problèmes d’impuretés quantiques (par exemple le modèle de Kondo ou celui de Sine-Gordon) et des transitions de phase quantiques dissipatives.
Interaction lumière-matière dans le régime à N-corps des circuits quantiques supraconducteurs Comprendre l'interaction lumière-matière est toujours un sujet d'actualité malgré des décennies de recherche intense. Grâce au large couplage lumière-matière présent dans les circuits quantiques supraconducteurs, il est maintenant possible d'effectuer des expériences où la dynamique d'environnements contenant beaucoup de degrés de liberté, devient pertinente. Ainsi, relier la physique à N-corps, généralement réservée à la matières condensée, et l’optique quantique est à portée de main.Dans ce travail, nous présentons un système totalement accordable in-situ pour étudier l'interaction lumière-matière à N-corps (N grand) dans différents régimes de couplage. Le circuit est constitué d'un bit quantique de type transmon (“la matière”) couplé capacitivement à une chaîne de 4700 jonctions Josephson en géométrie squid. Cette chaîne supporte de nombreux modes électromagnétiques ou modes plasma (“la lumière”). Grâce à la grande inductance cinétique des jonctions Josephson, la chaîne présente une impédance caractéristique élevée ce qui augmente significativement le couplage qubit-modes. Les squids dans le transmon et dans la chaîne nous permettent de modifier la force de ce couplage en appliquant un flux magnétique.Avec ce sytème, nous avons les trois ingrédients requis pour explorer la physique à N-corps: un environnement avec une grande densité de modes électromagnétiques, un couplage lumière-matière ultra-fort, et une non linéarité comparable aux autres échelles d'énergie pertinentes. De plus, nous présentons un traitement de l'effet des fluctuations du vide de ce large nombre de degrées de liberté. Ce qui nous permet d'obtenir un modèle quantitatif et sans paramètre libre de ce système complexe. Finalement, à partir du décalage de phase induit par le transmon sur les modes de la chaîne, le transmon phase shift, nous quantifions l’hybridation du qubit transmon avec plusieurs modes de la chaîne (jusqu'à 10 modes) et obtenons la fréquence de résonance du transmon, ainsi que sa largeur, confirmant que nous sommes dans le régime de couplage ultra-fort.Ce travail démontre que les circuits quantiques sont un outil puissant pour explorer l'optique quantique à N-corps de manière totalement contrôlée. Combiner des métamatériaux supraconducteurs et des qubits devrait permettre de mettre en évidence des effets à N-corps qualitatifs, comme le décalage de Lamb géant, d’observer des états non-classiques de la lumière ou la production de particules ou encore de simuler des problèmes d’impuretés quantiques (par exemple le modèle de Kondo ou celui de Sine-Gordon) et des transitions de phase quantiques dissipatives.
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.
La physique de la matière condensée est une banche de la mécanique quantique qui étudie les grandes assemblées de particules quantiques en interaction. Elle a germée à partir de la physique de l'état solide : l'étude de la mer d'électrons contenue dans un métal fut le premier exemple des difficultés rencontrées par le théoricien voulant prédire le comportement d'une telle myriade de particules quantiques. Le domaine fut rapidement enrichi par de nombreux autres modèles, décrivant d'autres types de matière quantique, depuis le magnétisme jusqu'à la supraconductivité, les matériaux de Dirac et les fluides de lumière quantique. Toutes ces applications apparemment différentes se retrouvent unies par l'aspect essentiel du problème à N-corps quantique : l'interaction d'un grand nombre de particules élémentaires, électrons, photons, moments magnétiques, conduit à l'émergence de phénomènes collectifs, comme les quasi-particules ou les transitions de phase. Comme l'écrivait Anderson, "more is different".Ces dernières années, d'importantes avancées technologiques dans la nanofabrication de circuits supraconducteurs ont permis de recréer tous les ingrédients d'un système de matière condensée dans un dispositif expérimental finement contrôlé. Les particules quantiques sont émulées par les excitations du circuit, tandis que la cohérence quantique est maintenue par l'absence de dissipation de l'état supraconducteur autant que par les basses températures employées, aux environs de la dizaine de milliKelvins. Enfin, les interactions sont suscitées par effet Josephson, une conséquence de la rigidité de la phase supraconductrice à travers une barrière tunnel, qui introduit des non-linéarités dans le circuit. Une telle plateforme expérimentale est appelée un simulateur quantique.Cette thèse a été motivée par la nécessité de revoir certains modèles d'impuretés bien connus, modèle spin boson et modèle sine-Gordon à bord, à l'aune de leur implémentation récente sous forme de circuits supraconducteurs. Commençant par une modélisation complète d'un circuit microscopique générique, nous formulons un nouvel Hamiltonien prenant en compte la structure multi-niveaux des qBits de charge, et que nous baptisons l'Hamiltonien charge boson. Celui-ci ne se réduit aux modèles standards de la littérature que dans certaines limites que nous précisons. Nous traçons son diagramme de phase complet à l'aide du groupe de renormalisation numérique, et explorons ses régions expérimentalement pertinentes par des outils théoriques nouvellement créés.Un aspect frappant du modèle charge boson est que le nombre de paires de Cooper occupant l'îlot supraconducteur de l'impureté est un entier, ou bien de façon équivalente que sa phase supraconductrice est compacte. Nous présentons un ansatz variationnel, que nous appelons l'ansatz compact, pour étudier la pertinence de cet aspect granulaire de la charge. Cela nous a permis de décrire la disparition des effets compacts dans le régime suramorti à fort couplage.Il est possible de court-circuiter le couplage capacitif de l'impureté à son environnement, pour atteindre ce régime d'interaction forte, que la décompactification protège du bruit de charge. Le circuit se réduit alors à simuler le fameux modèle sine-Gordon à bord. Des expériences récentes on sondé la réponse dissipative d'un tel circuit, qui présente une section efficace inélastique spectaculairement élevée. Armé d'un modèle microscopique détaillé du système, nous montrons que la fréquence plasma introduit une coupure ultraviolette qui supprime les lois de puissance anormales de la réponse dissipative, bien connues par l'étude des liquides de Luttinger. Enfin, une technique diagrammatique auto-cohérente, entreprise à température finie, a permis de démontrer comment une réponse dissipative lisse en fréquence peut émerger d'un système de taille mésoscopique, par surpopulation de résonances multi-photons assistée par excitations thermiques.
Effets électrodynamiques quantiques de circuit sur les jonctions supraconductrices Le sujet de cette thèse est l'étude des effets électrodynamiques induits par les résonateurs quantiques sur les circuits supraconducteurs mésoscopiques. Nous développons en particulier une description théorique entièrement quantique des phénomènes de synchronisation qui se produisent dans les circuits quantiques composés de jonctions Josephson couplées à des lignes de transmission de taille finie. De plus, en utilisant des méthodes empruntées à l'optique quantique et à la recherche sur les atomes froids, nous étudions comment les fluctuations quantiques et thermiques affectent le comportement de ces circuits quantiques. Dans le premier chapitre, nous présentons des méthodes issues à la fois de la théorie de la matière condensée et de l'optique quantique qui sont utiles dans la QED des circuits et qui serviront de base à l'analyse du deuxième chapitre. Tout d'abord, nous dérivons des descriptions lagrangiennes mésoscopiques efficaces pour les condensateurs, les inductances et les jonctions Josephson à partir de modèles microscopiques. Nous discutons de la quantification canonique de certains circuits de base, à savoir l'oscillateur LC et la jonction Josephson libre. Nous nous intéressons ensuite au traitement classique des lignes de transmission, en analysant à la fois leurs représentations continues et leurs représentations par éléments concentrés. Nous discutons du théorème de Foster, qui permet une représentation efficace par éléments concentrés des réactances et admittances génériques. Nous traitons de manière approfondie la dérivation des modes propres électromagnétiques des lignes de transmission et procédons à leur quantification canonique. Nous discutons du couplage à une jonction Josephson et des différents choix de jauge pour cette interaction. Enfin, nous donnons une brève introduction à la représentation de l'espace de phase de la mécanique quantique dans les représentations de position-impulsion et d'état cohérent, en nous concentrant sur les schémas approximatifs qui nous permettent de traiter les fluctuations quantiques et thermiques dans les circuits quantiques. Dans le deuxième chapitre, nous étudions l'apparition des plateaux de Shapiro directes et doubles pour une jonction Josephson couplée à un résonateur à ligne de transmission de taille finie. Nous traitons ces deux problèmes à l'aide d'une approche QED des circuits avec un nombre important mais fini de modes photoniques. Pour le cas double, nous ne supposons pas la dualité (approximative) charge-phase et nous incluons la dynamique multibande complète pour la jonction Josephson. Les équations de mouvement du champ moyen dans notre approche hamiltonienne reproduisent les résultats de l'équation classique dissipative lorsque le nombre de modes de la ligne de transmission est suffisamment grand. Pour tenir compte des fluctuations quantiques et thermiques, nous allons au-delà du traitement du champ moyen en utilisant une approche Wigner tronquée. Il est démontré que les fluctuations quantiques et thermiques modifient à la fois les plateaux directes et doubles, et les paramètres physiques clés et les régimes contrôlant leur robustesse sont discutés. Le cadre développé dans cette thèse est un outil précieux pour les efforts expérimentaux visant à l'application métrologique des jonctions Josephson dans des environnements à haute impédance. En effet, notre approche permet de traiter ces systèmes sans recourir aux approximations habituelles et convient donc à des applications dans de nouveaux régimes et des environnements complexes. Nos travaux fournissent non seulement des outils théoriques pour comprendre la dynamique quantique des jonctions Josephson couplées à des environnements complexes, mais aussi des lignes directrices pratiques pour leur mise en œuvre dans les technologies quantiques, en particulier dans le contexte de la métrologie quantique.
La jonction Josephson à effet tunnel consiste en une fine barrière isolante insérée entre deux électrodes supraconductrices, où les paires de Cooper peuvent passer d'une électrode à l'autre avec une très faible probabilité de transmission. Cet élément sert de source commune et nécessaire de non-linéarité dans les circuits quantiques supraconducteurs, permettant la mise en œuvre de bits quantiques supraconducteurs (qubit) et de circuits amplificateurs supraconducteurs : deux éléments constitutifs de l'informatique quantique. La fabrication de ces jonctions ne permet aucun contrôle in-situ, leur comportement étant fixé par leur géométrie. Il est courant d'intégrer au moins deux jonctions dans une boucle supraconductrice pour former un dispositif d'interférence quantique supraconducteur (SQUID), dont la phase de la fonction d'onde macroscopique supraconductrice peut être modifiée par l'application d'un champ magnétique externe. Cela permet de récupérer un certain contrôle sur un degré de liberté quantique, en accordant l'énergie du SQUID en fonction de la phase. L'intégration d'un SQUID dans un qubit supraconducteur permet finalement d'accorder sa fréquence de transition. Au cours de la dernière décennie, de nouvelles architectures de circuits quantiques supraconducteurs sont apparues, où la jonction Josephson tunnel standard est remplacée par une jonction supraconducteur-normal-supraconducteur (SNS). Cette jonction bénéficie des propriétés normales du matériau, qui peut être un semi-conducteur ou un semi-métal, et dont la densité d'états peut être contrôlée par l'application d'un champ électrique externe. Par conséquent, l'énergie d'une seule jonction peut être réglée sans dépendre d'un champ magnétique, une solution qui peut se heurter à des problèmes d'extensibilité. Actuellement, des qubits supraconducteurs avec un nanofil d'InAs, un gaz électronique 2D (2DEG) et du graphène (avec des temps de cohérence faibles) ont été démontrés.Dans cette thèse, nous étudions l'utilisation du graphène, un semi-métal de van der Waals 2D encapsulé dans du h-BN (pour le protéger de son environnement), en tant que jonction SNS accordable par une grille. La jonction Josephson en graphène est intégrée dans un qubit supraconducteur, où l'énergie de Fermi du graphène est contrôlée par l'utilisation d'une électrode de grille, sur laquelle une tension est appliquée. La grille a deux effets : elle modifie le nombre de canaux de conduction à l'intérieur du graphène, ainsi que leurs probabilités de transmission (ou transparences). Le temps de relaxation est mesuré entre 300 et 800 ns, soit un ordre de grandeur supérieur à l'état de l'art actuel en matière de qubits basés sur le graphène. Nous mesurons un grand contrôle de la fréquence de transition du qubit (plusieurs GHz). Surprenament, l'anharmonicité dépend fortement de la tension de grille avec de grandes oscillations dans le régime dopé p du graphène. Basée sur un modèle analytique de contact quantique supraconducteur, que nous avons résolu numériquement, notre analyse suggère que d'importantes fluctuations mésoscopiques de transparence se produisent dans nos dispositifs, avec des valeurs allant de 0,2 à 1, une indication d'une jonction Josephson en graphène de haute qualité. Le modèle, valable pour n'importe quel régime, démontre l'effet important de la transparence sur le spectre du qubit. La dispersion de charge (c'est-à-dire la sensibilité du qubit au bruit de charge) diminue également avec l'énergie Josephson, mais aussi avec la transparence. En particulier, en cas de transparence parfaite, la dispersion de charge devrait totalement disparaître, ce qui est hautement souhaitable pour des qubits plus résistants au bruit de charge. Nous démontrons que la dispersion de charge est effectivement plus petite que celle attendue pour un qubit supraconducteur basé sur une jonction tunnel fonctionnant dans le même régime, jusqu'à un facteur 2, avec une transparence déduite allant de 0,6 à 0,8.
Grâce aux avancées techniques récentes, les physiciens jouent pleinement avec la beauté de la mécanique quantique. Dans ce travail de théorie sur l'effet Josephson mésoscopique, nous exploitons les collaborations avec les expérimentateurs ainsi que les échanges entre les communautés des atomes froids et de la matière condensée. Nous considérons différents systèmes basés sur la jonction Josephson, en commençant par sa description quantique dans le régime sous-amorti. En utilisant le formalisme de Keldysh, nous obtenons les caractéristiques courant-tension du régime classique à la limite de température nulle et l'équation de Smoluchowski quantique dans la limite semi-classique. Nous étudions ensuite la dynamique quantique d'un qubit de phase réalisé avec un SQUID dans une configuration inédite où l'échappement se produit à travers deux barrières quartiques. Le taux d'échappement tunnel dans ce nouveau potentiel, calculé avec la technique des instantons, nous permet de décrire les expériences. L'électrodynamique quantique des circuits prévoit qu'un effet laser apparaît lorsqu'un qubit est couplé à une cavité résonnante. Nous considérons le cas d'un qubit de charge et celui d'un transmon qui exploite l'effet Purcell. Avec le Lindbladien nous obtenons la matrice densité dont nous dérivons le spectre du champ créé. Enfin, nous étudions un gaz d'atomes froids dans un piège circulaire comportant une barrière, créant une jonction de Bose Josephson. La physique à basse énergie est décrite à travers les fonctions de corrélation avec la théorie du liquide de Luttinger. Nous montrons que les fluctuations quantiques dans l'anneau induisent une renormalisation de l'énergie Josephson.
Interactions photoniques d'ordre élevé induites par appariement de paires de Cooper Induire des interactions entre des photons individuels est essentiel pour les applications en traitement de l'information quantique photonique et la recherche fondamentale sur les états de photons à plusieurs corps. Un domaine qui convient bien pour combiner des interactions fortes et de faibles pertes est l'optique quantique micro-onde avec des circuits supraconducteurs. Les photons sont généralement stockés dans un circuit LC, et les interactions apparaissent lorsque le circuit est court-circuité par une jonction tunnel de Josephson. Importamment, les fluctuations du point zéro de la phase supraconductrice à travers la jonction contrôlent la force et l'ordre des interactions induites. Les circuits supraconducteurs ont presque exclusivement fonctionné dans le régime où les fluctuations de phase sont plus petites que l'unité, et les interactions à deux photons, connues sous le nom d'effet Kerr, dominent. Dans cette expérience, nous court-circuitons un oscillateur LC à haute impédance par un dipôle qui ne permet que des paires de paires de Cooper de se tunnelliser. Les fluctuations de phase, qui sont effectivement doublées par ce couplage, atteignent la valeur de 3.4. Dans ce régime de fluctuations extrêmes, nous observons des fréquences de transition qui se déplacent de manière non monotone à mesure que nous montons l'échelle anharmonique. À partir de cette mesure spectroscopique, nous extrayons des énergies d'interaction à deux, trois et quatre photons d'amplitude comparable, et toutes dépassent le taux de perte de photon. Ce travail explore un nouveau régime d'interactions de photons d'ordre élevé en optique quantique micro-onde, avec des applications allant de la logique quantique multi-photon à l'étude du rayonnement micro-onde hautement corrélé.