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.
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.
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.
Cette thèse présente un ensemble d'expériences de QED en circuit (cQED), dans lesquelles des atomes artificiels basés sur des circuits supraconducteurs sont couplés au champ électromagnétique d'un résonateur micro-ondes. Ce résonateur agit comme appareil de mesure pour l'atome, permettant d'illustrer des aspects fondamentaux de la physique quantique et de développer des briques de base pour un processeur quantique. Dans une première expérience nous suivons continuement l'évolution de l'atome tout en variant l'intensité de la mesure. Nous observons la transition du régime de mesure faible à celui de mesure forte, puis le gel de la dynamique du a l'effet Zénon quantique. Dans le régime de mesure faible nous testons si l'atome artificiel est en accord avec les hypothèses du réalisme macroscopique, à partir desquelles Leggett et Garg ont déduit une inégalité de Bell en temps. La violation de cette inégalité confirme que l'atome artificiel, bien que macroscopique, est un objet quantique. En ce qui concerne l'information quantique, nous avons enrichi l'architecture cQED en démontrant un système de lecture haute fidélité en un coup pour le qubit, un élément crucial pour un processeur quantique. Notre circuit utilise la transition dynamique d'un résonateur non-linéaire. Le système couplé formé par le qubit et le résonateur non linéaire permet en plus d'étudier l'interaction entre couplage fort et effets non linéaires -amplification paramétrique, sqeezing- ouvrant un nouveau sujet : le cQED non linéaire. Finalement, nous avons mis au point un circuit qui servirait d'intermédiaire pour que deux qubits arbitraires interagissent : un résonateur micro-ondes a fréquence accordable.
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.
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.