Le mélangeur Josephson : un couteau suisse pour l'optique quantique micro-onde Cette thèse explore les caractéristiques uniques offertes par le mélangeur Josephson dans le domaine émergeant de l’optique quantique micro-onde. Nous avons démontré que le mixeur Josephson pouvait jouer trois rôles majeurs pour le traitement de l’information quantique. Nous avons conçu et fabriqué un amplificateur à la limite quantique avec la meilleure efficacité quantique démontrée à cette date. Cet outil crucial peut être utilisé pour la mesure microonde de systèmes mésoscopiques dont les circuits supraconducteurs. En particulier, cela nous a permis de réaliser avec succès la stabilisation de trajectoires d’un bit quantique supraconducteur par rétroaction basée sur la mesure. Ensuite, nous avons montré comment ce circuit peut générer et distribuer des radiations micro-ondes intriquées par conversion paramétrique spontanée sur des lignes de transmissions séparées dans l’espace et à des fréquences différentes. En utilisant deux mixeurs Josephson, nous avons fourni la première démonstration d’intrication non- locale entre deux champs propageants dans le domaine micro-onde, les états dits EPR. Finalement, nous avons utilisé le mixeur Josephson dans le mode de conversion de fréquence. Il se comporte alors comme un interrupteur, permettant d’ouvrir ou fermer dynamiquement l’accès à une cavité de haut facteur de qualité. L’ensemble constitue une mémoire quantique. En combinant cela avec la génération d’intrication, nous avons mesuré la distribution, le stockage et la libération sur demande d’un état intriqué. Ceci est un pré-requis pour jouer le rôle de nœud au sein d’un réseau quantique.
Le mélangeur Josephson : un couteau suisse pour l'optique quantique micro-onde Cette thèse explore les caractéristiques uniques offertes par le mélangeur Josephson dans le domaine émergeant de l’optique quantique micro-onde. Nous avons démontré que le mixeur Josephson pouvait jouer trois rôles majeurs pour le traitement de l’information quantique. Nous avons conçu et fabriqué un amplificateur à la limite quantique avec la meilleure efficacité quantique démontrée à cette date. Cet outil crucial peut être utilisé pour la mesure microonde de systèmes mésoscopiques dont les circuits supraconducteurs. En particulier, cela nous a permis de réaliser avec succès la stabilisation de trajectoires d’un bit quantique supraconducteur par rétroaction basée sur la mesure. Ensuite, nous avons montré comment ce circuit peut générer et distribuer des radiations micro-ondes intriquées par conversion paramétrique spontanée sur des lignes de transmissions séparées dans l’espace et à des fréquences différentes. En utilisant deux mixeurs Josephson, nous avons fourni la première démonstration d’intrication non- locale entre deux champs propageants dans le domaine micro-onde, les états dits EPR. Finalement, nous avons utilisé le mixeur Josephson dans le mode de conversion de fréquence. Il se comporte alors comme un interrupteur, permettant d’ouvrir ou fermer dynamiquement l’accès à une cavité de haut facteur de qualité. L’ensemble constitue une mémoire quantique. En combinant cela avec la génération d’intrication, nous avons mesuré la distribution, le stockage et la libération sur demande d’un état intriqué. Ceci est un pré-requis pour jouer le rôle de nœud au sein d’un réseau quantique.
Les circuits supraconducteurs sont parmi les technologies de l'information quantique les plus avancées. Ils ont aujourd'hui atteint la maturité qui offre un grand degré de contrôle et une large gamme d'interactions qui peuvent être précisément réalisées sur mesure. Le mixeur Josephson est un exemple de circuit supraconducteur qui effectue le mixage à trois ondes aux fréquences micro-ondes. Dans cette thèse, trois expériences, où le mixeur Josephson est utilisé pour trois applications différentes sont décrites. D'abord, nous avons réalisé le couplage ultrafort effectif entre deux modes bosoniques afin d'étudier les propriétés de l'état fondamental de ce système, tels que le squeezing à un mode et à deux modes du champ radié. Ensuite, nous avons construit un nœud quantique, capable de créer et distribuer de l'intrication sur un réseau quantique micro-onde, alors que de stocker et relâcher de l'information quantique à demande. Nous avons intégré un qubit de mesure dans ce dispositif pour augmenter le degré de contrôle sur son état quantique. Finalement, nous avons poussé le mixeur Josephson au delà du seuil de l'oscillation paramétrique, où nous avons démontré une technique inhabituelle de verrouillage par injection en conversion de fréquence dans ce dispositif non-dégénéré.
Applications du mixeur Josephson : couplage ultrafort, nœud quantique et verrouillage par injection en conversion Les circuits supraconducteurs sont parmi les technologies de l'information quantique les plus avancées. Ils ont aujourd'hui atteint la maturité qui offre un grand degré de contrôle et une large gamme d'interactions qui peuvent être précisément réalisées sur mesure. Le mixeur Josephson est un exemple de circuit supraconducteur qui effectue le mixage à trois ondes aux fréquences micro-ondes. Dans cette thèse, trois expériences, où le mixeur Josephson est utilisé pour trois applications différentes sont décrites. D'abord, nous avons réalisé le couplage ultrafort effectif entre deux modes bosoniques afin d'étudier les propriétés de l'état fondamental de ce système, tels que le squeezing à un mode et à deux modes du champ radié. Ensuite, nous avons construit un nœud quantique, capable de créer et distribuer de l'intrication sur un réseau quantique micro-onde, alors que de stocker et relâcher de l'information quantique à demande. Nous avons intégré un qubit de mesure dans ce dispositif pour augmenter le degré de contrôle sur son état quantique. Finalement, nous avons poussé le mixeur Josephson au delà du seuil de l'oscillation paramétrique, où nous avons démontré une technique inhabituelle de verrouillage par injection en conversion de fréquence dans ce dispositif non-dégénéré.
Mélange de signaux contra-propageants dans un dispositif Josephson à ondes progressives Les processus paramétriques ont permis le développement d’amplificateurs proche de la limite quantique de bruits dans le domaine des circuits supraconducteurs. En limitant le bruit ajouté aux signaux de faible puissance utilisés pour mesurer les qubits supraconducteurs — de l’ordre du photon unique pour une mesure non destructive (QND) —, ces amplificateurs ont permis d’améliorer significativement la fidélité de lecture ”en un coup” (single-shot) des qubits supraconducteurs, ouvrant la voie à leur utilisation pour le calcul quantique. Ces mêmes amplificateurs peuvent réaliser de la conversion de fréquence, après quelques changements mineurs. Les processus dérivent de l’interaction de plusieurs ondes électromagnétiques se propageant dans un milieu nonlinéaire. Dans le cas de la conversion, une onde de haute amplitude active l’échange d’énergie entre deux autres ondes de faibles amplitudes à deux fréquences différentes, tant que la somme des énergies et la somme des quantiés de mouvements des photons impliqués dans l’interaction sont conservées. Dans les réalisations existantes ces conditions sont éunies quand toutes les ondes se propagent approximativement avec la même vitesse de phase, et dans la même direction. Dans cette thèse, nous montrons que ce n’est pas la seule possibilité. Nous étudions un schéma alternatif dans lequel un signal microonde d’entrée se propageant dans un métamatériau Josephson unidimensionnel est converti en un signal de sortie se propageant dans la direction opposée. Cela est permis par l’interaction avec une onde de pompe se propageant avec une vitesse de phase plus faible. Dans ce nouveau régime, analogue à la diffusion Brillouin stimulée étudiée en optique, le signal d’entrée est atténué exponentiellement au fur et à mesure de sa progression dans le dispositif. Dans cette thèse, nous étudions plusieurs méthodes potentielles d’implémentation de ces nouveaux processus paramétriques. Nous commencer par analyser les propriétés de l’aluminium granulaire, un matériau à haute inductance cinétique, avant de nous intéresser à une ligne de transmission en métamatériaux excessivement complexe à quatre conducteurs. Ces deux méthodes d’implémentation inadaptées nous amènent à l’implémentation finale, une ligne de transmission en étamatériaux à trois conducteurs. Nous étudions l’évolution des processus dans ce support, et les exploitons pour implémenter un circulateur microonde sur puce robuste, qui peut être reconfiguré dynamiquement en un coupleur réciproque réglable. Le mode d’opération est sélectionné in-situ, ainsi que sa fréquence de fonctionnement au sein d’une large bande microonde. Dans la plage 5.5-8.5 GHz, nous mesurons une isolation de plus de 15 dB sur une bande passante typique de 100 MHz. Il reste de nombreuses opportunités d’améliorations, en optimisant le design et en réduisant la variation lors de la fabrication, ce qui ouvre de nouvelles possibilités pour le routage microonde et le traitement de signal dans les circuits supraconducteurs.
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.
Les circuits supraconducteurs constituent aujourd’hui une architecture prometteuse vers la réalisation d’un ordinateur quantique universel. Cependant, avant qu’un tel ordinateur voie le jour, plusieurs défis doivent être surmontés autant au niveau matériel que logiciel. Les circuits supraconducteurs forment aussi une architecture intéressante pour la réalisation d’expériences fondamentales en optique quantique grâce aux jonctions Josephson qui permettent aux photons micro-ondes d’interagir directement entre eux. Dans cette thèse, j’ai abordé certains des grands défis du domaine des circuits supraconducteurs dans le contexte de l’informatique quantique et de l’optique quantique micro-onde. Je me suis tout d’abord intéressé à la détection de photons micro-ondes uniques (chapitre 3). Avec mes collaborateurs, nous avons ainsi proposé deux méthodes pour réaliser un détecteur de photons uniques à grande efficacité quantique. Une de ces méthodes se base sur un ensemble de qubits supraconducteurs (section 3.2), tandis que l’autre promet une large bande de détection en se basant sur un métamatériau unidimensionnel (section 3.3). La réalisation expérimentale de ces propositions permettrait d’ajouter une pièce importante dans la boîte à outils de l’optique quantique micro-onde. Je me suis ensuite penché sur la correction d’erreurs dans les qubits supraconducteurs (section 4). Plus précisément, j’ai développé un circuit expérimentalement compact permettant de mesurer les propriétés d’un ensemble de qubits, une opération essentielle pour les techniques de correction d’erreurs quantiques. Finalement, j’ai consacré une partie de mon doctorat à modéliser des expériences effectuées dans le groupe d’Andreas Wallraff à l’ETH Zürich (chapitre 5). Nous avons ainsi réalisé trois expériences basées sur un couplage variable de type Raman entre un qubit supraconducteur et un résonateur micro-onde. Dans la première expérience, nous avons réalisé le premier transfert d’état quantique déterministe entre deux qubits supraconducteurs distants (section 5.2). Nous avons ensuite amélioré cette expérience en utilisant un code de détection d’erreur pour transférer l’information quantique de manière plus robuste entre les deux qubits (section 5.3). Ces expériences représentent une étape importante vers la réalisation d’une architecture modulaire de l’ordinateur quantique. Finalement, nous avons développé une méthode pour rapidement initialiser des qubits supraconducteurs dans leur état fondamental (section 5.4), une opération essentielle de l’ordinateur quantique.
Un nœud quantique supraconducteur pour la détection quantique Le progrès en physique va de pair avec l'amélioration de la précision des mesures. Le principe d'incertitude d'Heisenberg met une limite sur le niveau minimal de bruit de la mesure mais les appareils de mesure classiques sont généralement incapables de s'approcher de cette limite fondamentale. Dans cette thèse, nous présentons trois expériences qui vont au-delà de la limite classique. Ces trois expériences sont réalisées en utilisant un même circuit supraconducteur appelé nœud quantique. Les premiers chapitres de cette thèse présentent le principe d'incertitude, les outils que l'électrodynamique quantique peut nous apporter pour s'approcher de cette limite ainsi que le circuit du nœud quantique lui-même. Dans la première expérience, nous montrons comment on peut résoudre l'énergie d'une unique impulsion micro-ondes jusqu'au niveau du photon sans le détruire. Nous réalisons ensuite une tomographie de l'état mesuré pour montrer le principe fondamental de la rétro-action de la mesure quantique. Dans la deuxième expérience, nous utilisons deux interactions paramétriques simultanément pour stabiliser un mode électromagnétique dans un état comprimé bien plus fortement que la limite habituelle des 3 dB. Finalement, dans la troisième expérience, nous présentons la première réalisation d'un radar quantique fonctionnant dans les fréquences micro-ondes. Malgré ses applications pratiques limitées, cette expérience est un rare exemple d'amélioration en métrologie quantique qui est robuste au bruit.