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Quantum backaction and feedback in superconducting circuits

Philippe Campagne-Ibarcq

Published Jun 26, 2015• 0 citations
Publisher

Abstract

Backaction et retour quantiques dans les circuits supraconducteurs Cette thèse décrit une série d’expériences mettant en lumière l’action en retour de la mesure et la décohérence pour un système quantique ouvert élémentaire, le qubit supraconducteur. Ces observations sont rendues possibles grâce au développement récent d’amplificateurs Josephson proches de la limite quantique. L’information extraite du système peut être utilisée dans des boucles de rétroaction quantique. Pour stabiliser un état arbitraire prédéterminé du qubit, une mesure projective est réalisée périodiquement et une boucle de rétroaction permet de corriger les erreurs détectées. En se substituant à l'environnement et en réalisant une mesure hétérodyne continue de la fluorescence du qubit, nous reconstituons des trajectoires quantiques individuelles lors de sa relaxation. En conditionnant cette détection au résultat d'une mesure projective postérieure, nous déterminons les weak values du signal de fluorescence. En formant une boucle de rétroaction continue à partir de ce signal, nous stabilisons également un état arbitraire du qubit. Enfin, nous observons dans une dernière expérience la dynamique quantique Zénon d'un mode micro-onde, induite par son couplage au qubit.

DOI
10.70675/17174a62z7d65z4bfdza22cz8fc8a6ed312a

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Energy and information in fluorescence with superconducting circuits

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•Nov 20, 2018•1 citation

Quantum trajectories with incompatible decoherence channels

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Au contraire de sa version classique, une mesure quantique perturbe nécessairement l’état du système. Ainsi, la mesure projective d’un spin-1/2 selon une direction rend parfaitement aléatoire le résultat d’une mesure successive de la composante du même spin le long d’un axe orthogonal. Dans cette thèse, nous discutons des expériences basées sur les circuits supraconducteurs qui permettent de mettre en évidence cette action en retour de la mesure. Nous mesurons en particulier la dynamique d’un qubit supraconducteur dont on révèle simultanément les trois composantes de Bloch x, y et z. Deux techniques récentes sont utilisées pour réaliser ces enregistrements simultanés. Les composantes x et y sont obtenues par la mesure des deux quadratures du champ de fluorescence émis par le qubit. La composante z est quant à elle obtenue en sondant une cavité non résonante couplée de manière dispersive au qubit. La fréquence de la cavité dépend de l’énergie du qubit et la force de cette dernière mesure peut être ajustée in situ en faisant varier la puissance de la sonde. Ces observations sont rendues possibles grâce aux avancées récentes dans l’amplification ultrabas bruit des signaux micro-onde grâce aux circuits Josephson. Cette thèse détaille toutes ces techniques à la fois théoriquement et expérimentalement et présente différents résultats annexes inédits. En présence des mesures simultanées, nous montrons que l’état du système diffuse à l’intérieur de la sphère de Bloch en suivant une marche aléatoire dont les pas obéissent aux lois de l’action en retour de mesures incompatibles. Les trajectoires quantiques associées ont des dynamiques allant du régime diffusif au régime de blocage de Zénon soulignant l’interaction non-triviale des actions en retours des deux mesures incompatibles effectuées. En conditionnant les enregistrements aux résultats d’une mesure projective finale, nous mesurons également les valeurs faibles des composantes de notre qubit et démontrons qu’elles dépassent les valeurs extrémales moyennes. La thèse discute en détail de la statistique des trajectoires obtenues.

•Dec 7, 2018•4 citations

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•Dec 7, 2018•0 citations

Measurement and neural network-assisted control of quantum microwave modes with superconducting circuits

Hector Hutin

Mesure et contrôle assisté par réseau de neurones de modes micro-ondes quantiques avec des circuits supraconducteurs L'association d'un bit quantique et d'un mode harmonique couplé dispersivement est l'un des systèmes les plus étudiés dans le domaine de l'électrodynamique quantique de circuits supraconducteurs. Il offre un des moyens actuels les plus fiables pour mesurer l'état d'un bit quantique de manière non-destructive, et a permis nombre d'expériences d'information quantique étudiant l'information obtenue via cette mesure et la dynamique du qubit lorsqu'il y est soumis. Il offre également la possibilité de préparer et de manipuler l'état quantique du mode harmonique grâce au qubit, ce qui permet de stocker et de manipuler de l'information dans ce mode. C'est notamment crucial pour des applications telles que la construction d'un ordinateur quantique. Dans cette thèse sont présentées deux expériences reposant sur cette architecture. La première démontre comment utiliser la fluorescence du qubit pour lire le nombre de de photons contenus dans le mode de manière non-destructive et en un seul coup, c'est-à-dire avant que les photons soient dissipés. Cela permet de mesurer des trajectoires du nombre de photons, et de les voir quitter la cavité un par un. L'analyse de cette expérience repose sur une analyse de la fluorescense en termes de modes propageants, et permet d'aborder un certain nombre de questionnements sur l'information que peuvent contenir ces modes. La seconde constitue une démonstration de l'utilisation d'un réseau de neurones dans le cadre de la préparation d'états quantiques dans le mode. Il s'agit ici d'accélérer l'optimisation des impulsions électromagnétiques de contrôle du mode et du qubit pour créer un état quantique dans le mode avec une grande fidélité, et ce pour une grande classe d'états. Pour évaluer l'efficacité de ce nouveau protocole d'optimisation sur l'ensemble de cette classe, une manière optimale d'évaluer la fidélité des états préparés à partir d'un protocole de mesure de la fonction de Wigner du mode a été pour la première fois implémentée expérimentalement.

•Nov 29, 2024•0 citations
Backaction et retour quantiques dans les circuits supraconducteurs Cette thèse décrit une série d’expériences mettant en lumière l’action en retour de la mesure et la décohérence pour un système quantique ouvert élémentaire, le qubit supraconducteur. Ces observations sont rendues possibles grâce au développement récent d’amplificateurs Josephson proches de la limite quantique. L’information extraite du système peut être utilisée dans des boucles de rétroaction quantique. Pour stabiliser un état arbitraire prédéterminé du qubit, une mesure projective est réalisée périodiquement et une boucle de rétroaction permet de corriger les erreurs détectées. En se substituant à l'environnement et en réalisant une mesure hétérodyne continue de la fluorescence du qubit, nous reconstituons des trajectoires quantiques individuelles lors de sa relaxation. En conditionnant cette détection au résultat d'une mesure projective postérieure, nous déterminons les weak values du signal de fluorescence. En formant une boucle de rétroaction continue à partir de ce signal, nous stabilisons également un état arbitraire du qubit. Enfin, nous observons dans une dernière expérience la dynamique quantique Zénon d'un mode micro-onde, induite par son couplage au qubit.
Cette thèse décrit une série d’expériences mettant en lumière l’action en retour de la mesure et la décohérence pour un système quantique ouvert élémentaire, le qubit supraconducteur. Ces observations sont rendues possibles grâce au développement récent d’amplificateurs Josephson proches de la limite quantique. L’information extraite du système peut être utilisée dans des boucles de rétroaction quantique. Pour stabiliser un état arbitraire prédéterminé du qubit, une mesure projective est réalisée périodiquement et une boucle de rétroaction permet de corriger les erreurs détectées. En se substituant à l'environnement et en réalisant une mesure hétérodyne continue de la fluorescence du qubit, nous reconstituons des trajectoires quantiques individuelles lors de sa relaxation. En conditionnant cette détection au résultat d'une mesure projective postérieure, nous déterminons les weak values du signal de fluorescence. En formant une boucle de rétroaction continue à partir de ce signal, nous stabilisons également un état arbitraire du qubit. Enfin, nous observons dans une dernière expérience la dynamique quantique Zénon d'un mode micro-onde, induite par son couplage au qubit.
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.
Énergie et information dans la fluorescence de circuits supraconducteurs Cette thèse expérimentale explore les aspects énergétiques et informationnels de la fluorescence émise par des circuits supraconducteurs. Un bit quantique échange des quanta d’énergie avec une onde résonante lors de cycles d’émission et d’absorption. Nous avons développé un système de mesure basé sur l’amplification bas bruit et la détection linéaire de la lumière micro-onde pour mesurer l’énergie et l’amplitude complexe du champ de fluorescence et réalisé trois expériences basées sur la mesure de fluorescence. Premièrement nous avons réalisé et démontré le transfert d’énergie entre deux impulsions lumineuses résonantes. Grâce aux propriétés de l’émission stimulée, la direction et l’amplitude du transfert d’énergie sont contrôlées par la phase d’une superposition d’états quantiques. Deuxièmement, nous avons utilisé l’information contenue dans la fluorescence pour réaliser un nouveau type de lecture d’un circuit supraconducteur sans l’aide d’un système quantique auxiliaire. Le circuit, directement couplé à l’environnement, encode l’information quantique dans un sous-espace bien isolé et est lu grâce à la fluorescence d’une transition fortement couplée. Enfin, nous avons exploré le lien entre information et énergie dans le régime quantique en réalisant un démon de Maxwell autonome. Le démon est une cavité mesurant le système, un qubit supraconducteur. Le travail est extrait sous la forme d’un photon stimulé émis par le qubit et est directement mesurée par notre système de mesure de fluorescence. Il est relié aux variations de l’énergie interne du qubit. Le transfert d’information du système vers le démon est quantifié par des mesures indépendantes. En particulier nous avons démontré la présence de signatures quantique du démon quand le système est initialisé dans une superposition d’états quantiques.
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Trajectoires quantiques avec canaux de décohérence incompatibles Au contraire de sa version classique, une mesure quantique perturbe nécessairement l’état du système. Ainsi, la mesure projective d’un spin-1/2 selon une direction rend parfaitement aléatoire le résultat d’une mesure successive de la composante du même spin le long d’un axe orthogonal. Dans cette thèse, nous discutons des expériences basées sur les circuits supraconducteurs qui permettent de mettre en évidence cette action en retour de la mesure. Nous mesurons en particulier la dynamique d’un qubit supraconducteur dont on révèle simultanément les trois composantes de Bloch x, y et z. Deux techniques récentes sont utilisées pour réaliser ces enregistrements simultanés. Les composantes x et y sont obtenues par la mesure des deux quadratures du champ de fluorescence émis par le qubit. La composante z est quant à elle obtenue en sondant une cavité non résonante couplée de manière dispersive au qubit. La fréquence de la cavité dépend de l’énergie du qubit et la force de cette dernière mesure peut être ajustée in situ en faisant varier la puissance de la sonde. Ces observations sont rendues possibles grâce aux avancées récentes dans l’amplification ultrabas bruit des signaux micro-onde grâce aux circuits Josephson. Cette thèse détaille toutes ces techniques à la fois théoriquement et expérimentalement et présente différents résultats annexes inédits. En présence des mesures simultanées, nous montrons que l’état du système diffuse à l’intérieur de la sphère de Bloch en suivant une marche aléatoire dont les pas obéissent aux lois de l’action en retour de mesures incompatibles. Les trajectoires quantiques associées ont des dynamiques allant du régime diffusif au régime de blocage de Zénon soulignant l’interaction non-triviale des actions en retours des deux mesures incompatibles effectuées. En conditionnant les enregistrements aux résultats d’une mesure projective finale, nous mesurons également les valeurs faibles des composantes de notre qubit et démontrons qu’elles dépassent les valeurs extrémales moyennes. La thèse discute en détail de la statistique des trajectoires obtenues.
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