Mesures quantiques utilisant une molécule artificielle supraconductrice en électrodynamiques quantique des circuits En circuit-QED, la technique la plus usuelle pour lire l'état d'un qubit est d'utiliser le couplage transverse entre le qubit et une cavité micro-onde dans la limite dispersive. Cependant, malgré d'importants progrès au cours de cette décennie, obtenir une lecture rapide, en un seul coup et hautement fidèle d'un qubit reste un défi majeur. En effet, la distinction de l'état d'un qubit est limitée par le compromis entre vitesse d'acquisition et précision. Cette limite a pour origine le couplage transverse qui impose deux importantes contraintes expérimentales : premièrement, augmenter les interactions pour lire plus rapidement restreint la durée de vie du qubit via l'effet Purcell. La seconde contrainte est sur la force du signal, qui est limitée pour éviter des transitions non voulues et induites par la mesure. Par conséquent, le défi expérimental à relever avec le couplage transverse est d'acquérir un signal faible en un temps court...Pour surmonter ces limitations, nous voulons changer de paradigme en introduisant un nouveau schéma de lecture qui se base sur un couplage cross-Kerr direct. Ce schéma est obtenu grâce à une molécule artificielle supraconductrice couplée à une cavité micro-onde 3D. La molécule est construite en couplant inductivement deux atomes transmons supraconducteurs. Elle manifeste alors deux modes propres : le mode symétrique qubit transmon et le mode antisymétrique ancilla. En insérant cette molécule dans la cavité de manière optimale, une hybridation transverse entre l'ancilla et la cavité conduit à deux résonateurs faiblement anharmoniques, appelés polaritons. Ces derniers possèdent un couplage cross-Kerr direct et large avec le qubit transmon. En mesurant le signal micro-onde transmis par un polariton, l'état du qubit peut être résolu.Théoriquement, dans ce nouveau paradigme, le qubit est immunisé contre les limitations du couplage transverse tel que l'effet Purcell. Cependant, pour les deux échantillons étudiés, un couplage transverse résiduel existe à cause d'imperfections expérimentales. Même faible, il limite pour l'instant la durée de vie du qubit et nos performances de lecture. Malgré cela, nous avons obtenu une lecture du qubit en un seul coup avec une fidélité allant jusqu'à 97.2 % en 500 ns par une mesure dite de verrouillage grâce à la non-linéarité du polariton. Dans une limite linéaire à faible nombre de photons, nous démontrons une fidélité atteignant 94.7 % en seulement 50 ns de lecture grâce à l'ajout d'un amplificateur paramétrique Josephson. Dans ce régime, les sauts quantiques sont résolus et le qubit est lu de manière non-destructive 99.2 % du temps.
Mesures quantiques utilisant une molécule artificielle supraconductrice en électrodynamiques quantique des circuits En circuit-QED, la technique la plus usuelle pour lire l'état d'un qubit est d'utiliser le couplage transverse entre le qubit et une cavité micro-onde dans la limite dispersive. Cependant, malgré d'importants progrès au cours de cette décennie, obtenir une lecture rapide, en un seul coup et hautement fidèle d'un qubit reste un défi majeur. En effet, la distinction de l'état d'un qubit est limitée par le compromis entre vitesse d'acquisition et précision. Cette limite a pour origine le couplage transverse qui impose deux importantes contraintes expérimentales : premièrement, augmenter les interactions pour lire plus rapidement restreint la durée de vie du qubit via l'effet Purcell. La seconde contrainte est sur la force du signal, qui est limitée pour éviter des transitions non voulues et induites par la mesure. Par conséquent, le défi expérimental à relever avec le couplage transverse est d'acquérir un signal faible en un temps court...Pour surmonter ces limitations, nous voulons changer de paradigme en introduisant un nouveau schéma de lecture qui se base sur un couplage cross-Kerr direct. Ce schéma est obtenu grâce à une molécule artificielle supraconductrice couplée à une cavité micro-onde 3D. La molécule est construite en couplant inductivement deux atomes transmons supraconducteurs. Elle manifeste alors deux modes propres : le mode symétrique qubit transmon et le mode antisymétrique ancilla. En insérant cette molécule dans la cavité de manière optimale, une hybridation transverse entre l'ancilla et la cavité conduit à deux résonateurs faiblement anharmoniques, appelés polaritons. Ces derniers possèdent un couplage cross-Kerr direct et large avec le qubit transmon. En mesurant le signal micro-onde transmis par un polariton, l'état du qubit peut être résolu.Théoriquement, dans ce nouveau paradigme, le qubit est immunisé contre les limitations du couplage transverse tel que l'effet Purcell. Cependant, pour les deux échantillons étudiés, un couplage transverse résiduel existe à cause d'imperfections expérimentales. Même faible, il limite pour l'instant la durée de vie du qubit et nos performances de lecture. Malgré cela, nous avons obtenu une lecture du qubit en un seul coup avec une fidélité allant jusqu'à 97.2 % en 500 ns par une mesure dite de verrouillage grâce à la non-linéarité du polariton. Dans une limite linéaire à faible nombre de photons, nous démontrons une fidélité atteignant 94.7 % en seulement 50 ns de lecture grâce à l'ajout d'un amplificateur paramétrique Josephson. Dans ce régime, les sauts quantiques sont résolus et le qubit est lu de manière non-destructive 99.2 % du temps.
Molécule transmon optimisée pour une mesure quantique non destructrice en utilisant un couplage cross-Kerr Pour effectuer des calculs quantiques, il est nécessaire de construire un circuit contenant plusieurs qubits interconnectés et d'être capable de lire ses états avec une grande fidélité. Le couplage dispersif transverse entre un qubit et une cavité micro-ondes est la technique la plus courante de lecture de qubits en cQED. Cependant, malgré des progrès importants, la mise en œuvre d'une lecture rapide et de haute fidélité reste un défi majeur. En effet, l'inférence de l'état du qubit est limitée par le compromis entre vitesse et précision dû à l'effet Purcell et aux transitions indésirables induites par les photons de lecture dans la cavité.Ce travail se concentre sur une étude expérimentale du couplage cross-Kerr et de ses avantages pour la lecture de l'état du qubit, en fournissant une haute fidélité et en maximisant la QNDness. Pour construire un nouveau schéma de lecture basé sur le couplage direct cross-Kerr, nous avons utilisé une architecture de qubit appelée "molécule transmon".Le couplage direct de Kerr croisé est un point clé de notre système de lecture, car il empêche le qubit de subir l'effet Purcell.Afin de réaliser le plein potentiel de ce système, des mesures approfondies ont été effectuées sur un système existant, puis une version améliorée a été conçue et fabriquée à l'aide d'une nouvelle recette de nanofabrication.Pour améliorer les performances du qubit et de la lecture, nous avons optimisé différents paramètres : la géométrie du circuit a été ajustée pour réduire l'amplitude du champ électrique micro-ondes aux interfaces ; les paramètres du circuit électrique ont été optimisés pour obtenir un désaccord important entre la lecture et les fréquences du transmon ; le couplage dipolaire indésirable entre le qubit transmon et la cavité a été réduit pour éviter l'effet Purcell.La recette de fabrication a également été étudiée et améliorée afin de se débarrasser des résidus de résine à la surface du substrat, appelés "voile de la mort", d'améliorer la qualité de l'aluminium et la reproductibilité des jonctions Josephson.Les mesures démontrent la lecture sans démolition quantique avec une fidélité aussi élevée que 99,4 % et un temps de relaxation 5 fois plus élevé qu'auparavant - 20 microsecondes.
Mesure à haute fidélité d'un qubit molécule de transmons dans le régime de haute puissance et suppression de transitions induites par la mesure Le domaine des qubits supraconducteurs est en constante évolution avec la création de nouveaux types de circuits, mais pour ce qui est de la mesure des qubits, peu d'alternatives sont offertes à part le schéma de mesure standard avec couplage transverse linéaire. Ce type de couplage limite intrinsèquement le shift dispersif du mode de mesure et induit de l'effet Purcell. Cette thèse propose de dépasser ces limites en concevant un couplage non-linéaire entre un qubit et son mode de lecture dédiée. Ce schéma de mesure est réalisé par un couplage cross-Kerr non-perturbatif généré par un circuit de type molécule de transmons. Un nouvel échantillon, avec des paramètres et une géométrie optimisée, montre des résultats de fidélité de 99.21%, mesurés avec amplification paramétrique, et une fidelité Quantum Non-Demolition (QND) de 96.6%. Ces résultats ont été obtenus avec 89 photons de mesure. Cette puissance est environ un ordre de grandeur supérieur aux puissances utilisées dans la plupart des schémas de mesure à haute fidélité. Cela souligne les performances prometteuses du schéma de mesure avec molécule de transmons en présence d'un grand nombre de photons de mesure. En outre, une étude des transitions d'état induites par la mesure (MIST) a été effectuée, car ce phénomène est l'une des plus grandes sources d'erreurs de mesure à haute puissance. En effet, les MIST causent une fuite de l'état du mode qubit vers hors de l'espace binaire des états de computation, donc l'intégralité de son spectre multi-états doit être prise en compte. Une mesure single-shot multi-états a été implémentée, en travaillant dans le régime de faible shift dispersif par rapport au couplage extérieur du mode de mesure. Il est donc possible de mesurer l'état du mode qubit jusque son cinquième état excité en présence de photons et d'identifier des fuites hors de l'espace de computation binaire. Les résultats indiquent que les MIST ont un effet minime sur l'état du qubit jusque des puissances de l'ordre de 400 photons. Cela est dû à un mécanisme de suppression des MIST qui est propre à la molécule de transmons et au choix des paramètres de circuit. Ces résultats expérimentaux sont corroborés par des simulations de Floquet et des analyses de branches, qui prédisent avec précision le comportement des MIST et leur suppression par le schéma de mesure avec molécule de transmons.
Un atome artificiel supraconducteur en V pour les circuits en électrodynamique quantique Cette thèse porte sur la réalisation expérimental d'un atome artificiel possédant un diagramme énergétique en forme de V. Inspiré par les expériences des ions piégés, nous avons théoriquement prédit une lecture ultra rapide et de haute fidélité de l'état d'un qubit en utilisant un atome artificiel en forme de V dans une architectures d'électrodynamiques de circuits quantique. Pour réaliser cette expérience, nous avons développé une installation expérimental pour effectuer des mesures de transmissions de nos circuits quantiques supra-conducteur par une méthode hétérodyne. Nous avons aussi mis en oeuvre un environnement matériel et logiciel permettant des spectroscopies multi-tons et des mesures résolus en temps afin de contrôler l'état quantique de l'atome artificiel et l'état de photon cohérent dans le résonateur. De plus nous avons caractérisé des résonateurs micro-ondes quart d'ondes fabriqués à partir d'Aluminium et de Rhénium épitaxié. Le dispositif quantique original est fabriqué en couplant inductivement deux transmons. Lorsque le couplage inductif est de l'ordre de grandeur de l'inductance Josephson, nous observons des modes d'oscillations "en-phase" et "hors-phase" de la phase à travers les jonctions. Le spectre d'énergie du système, mesuré par des spectroscopies deux-tons, est précisément décrit par notre modèle analytique. Dans la limite des excitations de petites énergies, les deux modes peuvent être considérés comme des simples systèmes à deux niveaux appelés ci-après qubits. A zéro champ magnétique, il a été observé que les deux qubits deviennent couplés uniquement par une anharmonicité croisée. Cela a été révélé, à travers des spectroscopies trois-tons, par un décalage conditionnel de la fréquence de transition d'un qubit dépendant de l'état de l'autre qubit aussi grand que 115 MHz. Tous ces résultats expérimentaux démontrent un diagramme énergétique en V pour notre atome artificiel ce qui ouvre la voie pour des expérience originales dans le domaine de l'électrodynamique quantique.
Les circuits supraconducteurs sont des systèmes quantiques artificiels dont les propriétés peuvent être choisies pour répondre aux exigences de chaque application spécifique. Un circuit supraconducteur typique est conçu pour avoir une transition suffisamment anharmonique pour être utilisée comme un qubit, qui peut être facilement manipulé et lu grâce à son interaction forte (dipolaire) avec le champ électromagnétique. Un fort moment dipolaire fort est particulièrement intéressant en vue d'interfacer le circuit supraconducteur avec d'autres systèmes quantiques. Par exemple, la fluorescence de spins électroniques individuels a été détectée avec succès en utilisant un détecteur de photons micro-ondes basé sur un qubit supraconducteur, opérant dans la bande des 5-10 GHz. Dans le domaine de l'acousto-dynamique sur circuit (cQAD), le couplage entre un qubit et un résonateur piézoélectrique est utilisé pour détecter et manipuler l'état phononique, typiquement dans la plage 2-10 GHz. Cependant, adapter ces schémas de détection à des fréquences inférieures, en dessous de la fréquence de fonctionnement conventionnelle des qubits supraconducteurs, s'accompagne de nouveaux défis. D'abord, les qubits supraconducteurs sont lus grâce à l'intéraction dispersive avec un résonateur supraconducteur auxiliaire. Le couplage dispersif diminuant rapidement lorsque le désaccord dépasse l'anharmonicité du qubit, les qubits faiblement anharmoniques, tels que les transmons, nécessitent des résonateurs presque résonants dont les dimensions évoluent inversement avec la fréquence (par exemple, une cavité coplanaire λ/2 de 1 MHz nécessite un guide d'onde de 100 m de long). Deuxièmement, les systèmes à basse fréquence sont couplés à un bain thermique chaud avec lequel ils échangent des photons de manière aléatoire, transformant rapidement les états quantiques purs en mélanges statistiques. Le qubit fluxonium, composé d'une jonction Josephson court-circuitée simultanément par une grande inductance et une capacité, présente des opportunités uniques dans le domaine des qubits supraconducteurs à basse fréquence. Dans ce travail, nous démontrons un fluxonium lourd avec une fréquence de transition exceptionnellement basse de 1.8 MHz, tout en maintenant la capacité de manipuler et de lire le qubit en utilisant des techniques micro-ondes standard. Cela est rendu possible par le spectre d'énergie hautement non linéaire du fluxonium, où la première transition se produit dans la plage des MHz tandis que les transitions vers des états excités supérieurs sont dans la plage 3-10 GHz. Nous démontrons avec succès le refroidissement par bande latérale résolue du fluxonium, réduisant sa température effective à 23 μK et atteignant une population de l'état fondamental de 97,7%. Nos expériences révèlent en outre les capacités de manipulation cohérente du qubit, avec des temps de cohérence de T1 = 34 μs et T2* = 39 μs, accompagnés d'une lecture d'état projective.Nous démontrons en outre la sensibilité accrue du qubit aux champs de radiofréquence, obtenue par interaction directe avec un guide d'onde couplé capacitivement. En employant un protocole de préparation et de mesure cyclique, nous transformons le fluxonium en un capteur de charge résolu en fréquence précis, affichant une sensibilité de charge de 33 μe/√Hz. Cela se traduit par une sensibilité énergétique de 2.8ℏ par hertz, rivalisant avec les capteurs basés sur le transport, tout en restant intrinsèquement immunisé aux offsets de charge DC. La grande capacité de l'électrode ce notre capteur de charge basé sur le fluxonium (~50 fF) est très bénéfique dans les applications réelles de détection de charge, où la sensibilité est diluée lorsque la capacité propre du système sondé dépasse celle du capteur. Ce travail ouvre la voie à de nouvelles investigations expérimentales sur les phénomènes quantiques dans la plage de 1 à 10 MHz, y compris le régime de couplage fort avec des résonateurs mécaniques macroscopiques.
De la lecture d'un qubit à celle d'un état à N corps dans les plateformes d'électrodynamique quantique de circuit La manipulation et le contrôle robustes des systèmes quantiques nécessitent une méthode rapide et efficace pour lire leur état. Après quel’électrodynamique quantique en cavité (cavity QED) a ouvert la voieà la manipulation d’atomes neutres et d’ions à l’aide de la lumière,l’électrodynamique quantique en circuit (circuit QED) est devenue leparadigme dominant pour la lecture d’atomes artificiels tels que les circuits supraconducteurs, la lecture dispersive étant largement adoptéepour sa stabilité et son efficacité. Récemment, la lecture longitudinale est apparue comme un protocole delecture potentiellement plus rapide, mais elle repose sur une modulation paramétrique sophistiquée dont les mécanismes sous-jacents demeurentencore mal compris. Les interactions longitudinales ont été démontrées sur diverses plateformes allant des qubits supraconducteurs aux boîtes quantiques, et reposent sur l’excitation du qubit à la fréquence du résonateur.Dans différents régimes, le couplage apparaît de manière paramétrique en fonction de l’amplitude de l’excitation, croissant linéairement avec celle-ci.Dans ce manuscrit, nous démontrons expérimentalement la rupture de ce régime paramétrique dans un qubit de charge à deux niveaux basé sur une boîte quantique, et nous développons une théorie de Floquetunifiée établissant une connexion universelle entre le décalage AC Stark, le couplage longitudinal et la lecture dispersive en cQED.Nous dérivons des résultats analytiques, appuyés par des simulations numériques exactes, que nous appliquons à des systèmes cQED supraconducteurs et hybrides spin-charge, illustrant la flexibilité de la lecturelongitudinale plus rapide que la lecture dispersive.Inspirés par les capacités de lecture de la cQED pour les mesuressur un seul qubit, nous abordons la lecture d’états à plusieurs corpsdans les simulateurs quantiques. Puisque le facteur de structure dynamique (DSF) encode des informations essentielles sur les excitationsde densité dans les systèmes quantiques, nous proposons la spectroscopied’admittance multi-corps (MADS) comme une méthode faiblement invasive pour sonder le DSF en analysant les coefficients de transmission dessignaux micro-ondes couplés au simulateur quantique. Nous démontrons cette approche sur une chaîne unidimensionnelle de fermions sans spin,représentative des implémentations du modèle de Heisenberg à base de boîtes quantiques, et nous discutons, à l’aide de simulations numériquesobtenues par diagonalisation exacte et par la méthode du groupe de renormalisation de la matrice de densité (DMRG), de la possibilité demesurer les modifications qualitatives du DSF induites par les interactions. Nos résultats mettent en évidence le potentiel de la MADS pour lacaractérisation des propriétés dynamiques des simulateurs quantiques à semi-conducteurs hautement réglables, élargissant ainsi la boîte à outils dédiée à la lecture des simulateurs quantiques.
Le domaine des circuits supraconducteurs a connu une croissance spectaculaire au cours de la dernière décennie et constitue une architecture de premier plan pour l’informatique quantique. Le succès de cette architecture tient en partie à la simplicité du contrôle, à l’évolutivité et à la durée de vie de plus en plus longue du qubit transmon, qui est devenu dominant dans la plupart des processeurs. Bien que la fidélité de la plupart des opérations quantiques sur ces dispositifs dépasse généralement 98− 99%, des améliorations significatives des performances seront nécessaires pour parvenir à un calcul tolérant aux fautes. L’une des principales limites actuelles de ces opérations sur les qubits est due aux “fuites”, c’est-à-dire au peuplement des états d’énergie supérieure du qubit. Ces effets sont difficiles à appréhender d’un point de vue numérique et théorique, car de nombreuses transitions résultent de processus hors résonance qui sont généralement ignorés afin de rendre le problème traitable. En outre, beaucoup de ces effets sont causés par les niveaux d’énergie plus élevés du transmon, présents hors de son potentiel de confinement. Ceux-ci sont également négligés dans les simulations et les études théoriques pour des raisons de simplicité, ce qui entraîne une mauvaise caractérisation de la dynamique. Dans cette thèse, j’étudie comment nous pouvons comprendre, simuler avec précision et supprimer les processus à l’origine d’erreurs résultant de mesures et de contrôles forts sur les qubits transmon. Dans le cadre de ma recherche, je présente une méthode permettant de simuler efficacement des systèmes en présence de commandes à oscillation rapide, et comment celle-ci nous permet d’optimiser les commandes afin d’améliorer la fidélité des opérations. Cette méthode permet une accélération significative par rapport aux intégrateurs numériques traditionnels, et une version de ce solveur est maintenant incluse dans Qiskit Dynamics, un logiciel d’IBM. Je démontre en outre comment un pilote de mesure suffisamment forts pendant la lecture peut non seulement entraîner des fuites, mais aussi la population d’états en dehors du potentiel de confinement du transmon, ce que nous appelons l’“ionisation”. La compréhension de l’impact de ces effets parasites - et de la manière dont ils peuvent être évités - sera cruciale pour l’optimisation et le fonctionnement de la lecture dans les futurs dispositifs. Je conclurai par mes travaux en collaboration avec l’ETH Zurich sur les résultats de lecture de pointe utilisant des transmons et des filtres de Purcell réglables en fonction du flux, et j’expliquerai comment le réglage de la fréquence du transmon peut améliorer la fidélité de la lecture. Cela ouvre une autre voie pour améliorer la lecture des qubits supraconducteurs et nous rapproche potentiellement des applications utiles de ces dispositifs.