Un dels sitemes més simples per estudiar la interacció llum-matèria en circuits superconductors quàntics consisteix en un qubit superconductor acoblat a un ressonador. En general, per aplicacions de computació quàntica o altres aplicacions relacionades amb qubits, l'acoblament entre el qubit i el ressonador es dissenya amb valors molt per sota de les freqüències naturals individuals del sistema, permetent així aproximacions que resulten en un marc matemàtic relativament simple. A mesura que l'acoblament augmenta, les aproximacions comencen a fallar i el sistema entra el que es coneix com a règim d'acoblament ultrafort (USC de les sigles en anglès), on la física del sistema encara es troba en gran part inexplorada. En aquesta tesi proposem materials superinductors com a un nou enfoc per acoblar un qubit de flux de manera ultraforta a un ressonador. Generalment, aconseguir acoblaments en el rang d'USC ha comportat dissenys que perjudicaven la coherència dels qubits. Per eludir complicacions, introduïm aquest nou enfoc amb superinductors. L'elevada inductància cinètica associada a aquests materials permet dissenyar grans inductàncies compartides a la vegada que es mantenen dimensions del qubit relativament petites i corrents persistents baixes. Així mateix, presentem un disseny que consisteix en un qubit de flux de 3 unions Josephson amb derivació capacitiva acoblat galvànicament a un ressonador mitjançant un fil d'Alumini granular (grAl). Derivem els Hamiltonians necessaris així com els mètodes numèrics per analitzar de manera teòrica l'espectre i obtenir una estimació del coeficient d'acoblament del sistema. D'altra banda, proporcionem els detalls de la recepta de fabricació de qubits consistent en múltiples passos que permeten assegurar que el xip final es trobi en el règim d'USC. Mostrem també les mesures de l'espectre d'un sistema qubit de flux ressonador amb corrent persistent baixa i una inductància compartida elevada. Observem elements característics del règim USC, com ara l'efecte dels termes contra-rotants que s'evidencia com a un desplaçament de Bloch-Siegert de 23 MHz. El coeficient d'acoblament és prou gran per entrar al rang pertorbatiu del règim USC amb un valor g/\omega_r ~ 0.13. El circuit mesurat serveix com a prova de concepte per demostrar la possibilitat d'arribar a acoblaments ultraforts qubit-ressonador amb corrents persistents baixes i obre la possibilitat de realitzar estudis coherents al règim d'USC. L'ús de superinductors per estudiar el règim USC també motiva la cerca de nous materials amb propietats superiors a les del grAl. Així mateix, presentem el desenvolupament d'un nou material superconductor basat en nitridació d'Alumini i que es pot obtenir mitjançant la deposició per pulverització catòdica d'Alumini en differents fraccions de flux de N2 /Ar. En aquesta tesi, anlitzem les principals propietats superconductores de capes fines de $\SI{100}{\nano\meter}$ d'Alumini nitridat (NitrAl). Mostrem mesures de l'increment de temperatures crítiques que arriben al valor màxim de Tc = (3.38 +- 0.01) K i resil·liències a camps magnètics en el pla per sobre d'1 T. De la mateixa manera que en grAl, observem una distribució en foma de cúpula de la temperatura crítica en funció de la resistivitat a tempertura ambient. Addicionalment, estimem la inductància cinètica que va des d'1 pH/sq per les mostres menys resistives, fins a 400 pH/sq per aquelles capes més resistives. Finalment, presentem els primers passos en la caracterització de les pèrdues del NitrAl i la implementació del material com a superconductor i superinductor en tecnologies de circuits quàntics.
Un dels sitemes més simples per estudiar la interacció llum-matèria en circuits superconductors quàntics consisteix en un qubit superconductor acoblat a un ressonador. En general, per aplicacions de computació quàntica o altres aplicacions relacionades amb qubits, l'acoblament entre el qubit i el ressonador es dissenya amb valors molt per sota de les freqüències naturals individuals del sistema, permetent així aproximacions que resulten en un marc matemàtic relativament simple. A mesura que l'acoblament augmenta, les aproximacions comencen a fallar i el sistema entra el que es coneix com a règim d'acoblament ultrafort (USC de les sigles en anglès), on la física del sistema encara es troba en gran part inexplorada. En aquesta tesi proposem materials superinductors com a un nou enfoc per acoblar un qubit de flux de manera ultraforta a un ressonador. Generalment, aconseguir acoblaments en el rang d'USC ha comportat dissenys que perjudicaven la coherència dels qubits. Per eludir complicacions, introduïm aquest nou enfoc amb superinductors. L'elevada inductància cinètica associada a aquests materials permet dissenyar grans inductàncies compartides a la vegada que es mantenen dimensions del qubit relativament petites i corrents persistents baixes. Així mateix, presentem un disseny que consisteix en un qubit de flux de 3 unions Josephson amb derivació capacitiva acoblat galvànicament a un ressonador mitjançant un fil d'Alumini granular (grAl). Derivem els Hamiltonians necessaris així com els mètodes numèrics per analitzar de manera teòrica l'espectre i obtenir una estimació del coeficient d'acoblament del sistema. D'altra banda, proporcionem els detalls de la recepta de fabricació de qubits consistent en múltiples passos que permeten assegurar que el xip final es trobi en el règim d'USC. Mostrem també les mesures de l'espectre d'un sistema qubit de flux ressonador amb corrent persistent baixa i una inductància compartida elevada. Observem elements característics del règim USC, com ara l'efecte dels termes contra-rotants que s'evidencia com a un desplaçament de Bloch-Siegert de 23 MHz. El coeficient d'acoblament és prou gran per entrar al rang pertorbatiu del règim USC amb un valor g/\omega_r ~ 0.13. El circuit mesurat serveix com a prova de concepte per demostrar la possibilitat d'arribar a acoblaments ultraforts qubit-ressonador amb corrents persistents baixes i obre la possibilitat de realitzar estudis coherents al règim d'USC. L'ús de superinductors per estudiar el règim USC també motiva la cerca de nous materials amb propietats superiors a les del grAl. Així mateix, presentem el desenvolupament d'un nou material superconductor basat en nitridació d'Alumini i que es pot obtenir mitjançant la deposició per pulverització catòdica d'Alumini en differents fraccions de flux de N2 /Ar. En aquesta tesi, anlitzem les principals propietats superconductores de capes fines de \SI100\nano\meter d'Alumini nitridat (NitrAl). Mostrem mesures de l'increment de temperatures crítiques que arriben al valor màxim de Tc = (3.38 +- 0.01) K i resil·liències a camps magnètics en el pla per sobre d'1 T. De la mateixa manera que en grAl, observem una distribució en foma de cúpula de la temperatura crítica en funció de la resistivitat a tempertura ambient. Addicionalment, estimem la inductància cinètica que va des d'1 pH/sq per les mostres menys resistives, fins a 400 pH/sq per aquelles capes més resistives. Finalment, presentem els primers passos en la caracterització de les pèrdues del NitrAl i la implementació del material com a superconductor i superinductor en tecnologies de circuits quàntics.
Aquest treball s'emmarca en el camp de l'estudi i simulació del comportament de sistemes quàntics complexos, les propietats dels quals vénen dictades per les lleis de la física quàntica. Aquestes juguen un paper fonamental en una varietat de sistemes físics, des de matèria condensada, sistemes superfluids i superconductors, líquids quàntics com l'He a molt baixa temperatura o trampes d'àtoms freds formant condensats de Bose - Einstein. En l'estudi de tots aquests sistemes han adquirit un paper de gran rellevància les tècniques de Quantum Monte Carlo, que es basen en la simulació directa de les partícules que componen el sistema, que es regeixen universalment per l'equació de Schrödinger, que descriu exactament, excepte per efectes relativistes, el comportament quàntic de la matèria. En aquest projecte ens dedicarem a crear una eina que apliqui mètodes estocàstics actuals, i permeti comparar-los amb la nostra implementació d'un mètode molt recent que aconsegueix extreure informació molt precisa del sistema basant-se en postulats de la mecànica quàntica.
La computació quàntica és un dels reptes més intrigants pels físics d'aquest segle. La possibilitat d'explorar nuos fenòmens i resoldre problems complexos és fascinant, i la comunitat international està realitzant nombrosos esforços per a aconseguir un processador quàntic coherent. Entre els diferents tipus de computació quàntica, el ''quantum annealing" és probablement el més prometedor a mitjà termini. Actualment, els ''quantum annealers" que ja existexen estan limitats pels temps de coherència dels qubits i no poden realitzar processos de quantum annealing coherent. L'objectiu principal d'aquesta tesi és avançar en el desenvolupament d'un quantum annealer coherent basat en qubits de flux superconductors, mitjançant la introducció d'una nova metodologia de "dispersive readout". En aquesta tesi, es presenta la primera formulació, juntament amb els resultats experimentals, d'un nou circuit de ''persistent current readout" (PCR), compost per un "dc-SQUID" amb una capacitat en paral·lel. Per a aquesta tesi, es van realitzar experiments amb qubits de flux desacoblats, mitjançant els mètodes convencionals del ''dispersive readout". Els resultats constitueixen una referència pels resultats del PCR. Per identificar i reduir els efectes de les fonts de soroll que afecten els qubits, és necessària una anàlisi profunda dels temps de coherència. Tot i que els valors de T1 mesurats lluny del punt de simetria dels qubits són alts, els temps de coherència dels dispositius fabricats van resultar baixos. Probablement, aquest resultat és degut al soroll de flux. Així mateix, el procés de fabricació va tenir faltes, reflectits en els valors baixos dels "gap" dels qubits i, per això, no es van poder realitzar mesures de caracterizació en els seus punts de simetria. Després d'analitzar el dispersive readout conventional, basat en un ressonador acoblat a un qubit per mitjà de una capacitat, s'investiguen altres tipus de acoblaments. En particular, s'investiga l'acoblament galvànic entre un qubit i un ressonador i entre dos qubits. Mostrem que, suposant una petita inducància compartida, l'Hamiltoniá d'acoblament es redueix a l'energia clàssica emmagatzemada en el mateix inductor d'acoblament. El primer sistema té aplicacions interessants per a tractar diferents règims d'acoblament, com ara l'acoblament ultrafort, mentre que el segon sistema és rellevant per a l'estudi d'un qubit acoblat a un objecte fortament no-lineal Basant-nos en aquests resultats, el sistema PCR es defineix com un ressonador, la inductància del qual està constituit per un dc-SQUID, acoblat a un qubit a travès de la inductància geomètrica mùtua. El dc-SQUID actua com un inductor no lineal, amb l'inductancia que depèn de l'estat del qubit, expressat en la base de les corrents persistents. Fixant el punt de treball del dc-SQUID, el canvi de direcció de la corrent persistent del qubit provoca un desplaçament de la freqüència del ressonador. Fent servir un dc-SQUID, és possible desacoblar el qubit del circuit de readout, causant un milloria dels temps de coherència. Així mateix, es deriva l'Hamiltoniá de tot el sistema, amb èmfasi a la contribució a dos fotons en l'Hamiltoniá d'acoblament. Finalment, es càlcula el dispersive shift del ressonador. Per a demonstrar experimentalment el PCR, es va dissenyar i fabricar un dispositiu d'un sol qubit acoblat inductivament al ressonador del PCR i capacitivament a un ressonador de guia d'ones coplanar (CPW). La presència del CPW ens permet realitzar les mesures convencionals en el règim dispersiu, els resultats del qual costituiexen una referència pel PCR. Malhauradament, per imperfeccions en el dispositiu, no va ser possible realitzar cap cataracterització del qubit. Malgrat això, es va observar el desplaçament de la freqüència del dc-SQUID degut a l'inversió de la corrent persistent del qubit, a travès de la mesura del període. Aquest resultat constitueix la validació preliminar del PCR que presentem, i mostra una nova manera per dissenyar quantum annealers.
Aquesta tesi està dividida asimètricament en dues parts: la primera desenvolupa una teoria per transport òptim quàntic, la segona estableix una regla de la cadena per l'entropia relativa quàntica. Aquests dos temes, aparentment independents, es connecten en aquesta tesi mitjançant la noció d'estats en el temps (''states over time''). Aquest concepte té l'objectiu de caracteritzar les propietats de l'evolució de sistemes quàntics, en contrast amb el concepte de ''estats en l'espai'', més familiar, que descriu les correlacions entre estats espacialment separats. Descriure correlacions quàntiques en el temps resulta ser considerablement més subtil i intricat, cosa que requereix noves estructures matemàtiques per capturar la composició i transformació d'aquests sistemes. En la primera part, dedicada a transport òptim quàntic (''quantum optimal transport''), busquem un anàleg quàntic a la teoria clàssica mitjançant la identificació la codificació adequada dels elements del problema---en particular, l'estat inicial (una matriu densitat) i els plans de transport admissibles (canals quàntics)---en un sol objecte matemàtic anomenat acoblament (''coupling''). Comencem amb una formulació ingènua, inspirada per la formulació clàssica, basada en l'ús d'estats quàntics conjunts com a acoblament. Desenvolupem aquest acoblament i identifiquem les seves peculiars (indesitjables) propietats per motivar la nostra cerca amb un enfocament diferent. En el nou enfocament, que constitueix el tema principal d'aquest treball, busquem un acoblament bilineal que permeti la composició natural de canals, per tal d'obtenir una noció consistent d'estat en el temps. Amb aquesta restricció, el producte de Jordan emergeix com a noció físicament motivada d'acoblament. Partint d'això, definim el cost òptim de transport quàntic com la minimització d'un funcional de cost sobre tots els canals admissibles que connecten els dos estats i estudiem les seves propietats físiques i matemàtiques. Parem especial atenció a costos invariants sota accions unitàries, cosa que permet simplificar i resoldre analíticament el problema per estats que commuten o amb altres estructures. Aquests exemples revelen profundes diferències estructurals entre les nocions clàssiques i quàntiques de transport òptim. En la segona part, dedicada a regles de la cadena per l'entropia relativa quàntica, revisitem una de les mesures de distingibilitat més fonamentals en teoria de la informació quàntica, que destaca per la seva significança operacional en tests d'hipòtesi. En teoria de probabilitat clàssica, l'entropia relativa compleix una regla de la cadena que descompon el canvi total en entropia relativa sota l'acció de dos processos estocàstics en una mitjana divergències de les distribucions puntuals sota l'acció dels processos. Tanmateix, en el cas quàntic només es coneixien versions asimptòtiques, regularitzades d'aquesta regla de la cadena. En aquesta obra, derivem dues regles de la cadena quàntiques basades en un sol sistema. La primera generalitza la noció clàssica de distribucions puntuals a un conjunt d'estats quàntics construïts per l'acció d'operadors de mesura sobre estats en el temps. La segona manté projectors ortonormals de rang u, però imposa una condició suficient que restringeix la generalitat de l'equació. Junts, aquests resultats mostren que és possible obtenir regles de la cadena significatives en el règim d'un sol sistema, però també ressalten els obstacles fonamentals a una generalització total i la necessitat per desigualtats més ajustades.
Les circuits supraconducteurs quantiques constituent une plateforme de pointe pour le traitement de l’information quantique. L’utilisation de ce type de circuits en tant que qubits est en partie motivée par la grande flexibilité avec laquelle ces dispositifs peuvent être fabriqués. Cette flexibilité fait en sorte que les circuits supraconducteurs sont attractifs comme une architecture pour le design des qubits, des amplificateurs, des détecteurs de photons et d’autres dispositifs quantiques. Le domaine des qubits supraconducteurs est en rapide évolution depuis quelques an nées, ce qui a conduit à un certain nombre d’avancées majeures, dont la récente démonstration de la suprématie computationnelle quantique. Cela a été possible en partie grâce à l’introduction de l’architecture de l’électrodynamique quantique des circuits, et du qubit transmon. Le qubit transmon est protégé contre la source de bruit la plus nuisible dans les dispositifs mésoscopiques (bruit de charge), tout en possédant un design simple permettant sa mise en l’échelle. Cependant, malgré le succès retentissant du qubit transmon, d’autres qubits supraconducteurs, tels que le fluxonium et les circuits 0 − π, ont en principe le potentiel d’être plus performants. En particulier, le qubit 0 − π utilise des modes de circuit à haute impédance qui sont réalisés en utilisant de grandes inductances (ou superinductances) afin de rendre le système insensible au bruit de flux. Les superinductances, ainsi que les dispositifs de fluxonium et de 0 − π qubit, sont le principal objet de cette thèse.
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.