Dissipation dans les circuits quantiques supraconducteurs Dans un monde en transition vers l'ère de la deuxième révolution quantique, il est crucial d'éviter des processus tels que la dissipation, qui annihile inutilement l'état quantique. Par conséquent, comprendre les sources de perte responsables de la relaxation dans un système quantique donné est très pertinent. Puisque les circuits quantiques supraconducteurs sont les prétendants favoris pour l'informatique quantique, deux directions sont suivies dans ce travail pour étudier les sources de perte dans de tels circuits.1. Les résonateurs supraconducteurs à facteur de qualité élevé ont plusieurs applications en technologie quantique. Ce sont aussi les meilleurs bancs d'essai pour étudier les pertes. Dans ce travail, l'étude des pertes est réalisée en réalisant des résonateurs en aluminium de différents libre parcours moyen et capacités. Le comportement du facteur de qualité interne en fonction de la puissance micro-onde appliquée et de la température est étudié. L'étude se concentre sur les quasiparticules et les pertes diélectriques dans les résonateurs, qui sont considérées comme la principale cause de pertes dans les circuits quantiques supraconducteurs. Une analyse comparative des pertes du plan de masse est également effectuée afin d'estimer les pertes causées par le plan de masse métallique.2. Le qubit de fluxonium est l'un des qubits supraconducteurs de pointe. Leurs temps de relaxation peuvent atteindre 8 à 10 millisecondes dans une architecture 3D. Pour atteindre une grande évolutivité, les qubits doivent être fabriqués à l'aide d'une architecture 2D. Le changement d'architecture impose de nouvelles contraintes aux sources traditionnelles de perte tout en en introduisant de nouvelles. Les sources de perte provoquant la relaxation du qubit dans le qubit 2D Fluxonium sont le domaine d'intérêt dans ce travail. De plus, les causes du bruit dans un tel qubit sont examinées afin de comprendre les limites de la cohérence du qubit.
Dissipation dans les circuits quantiques supraconducteurs Dans un monde en transition vers l'ère de la deuxième révolution quantique, il est crucial d'éviter des processus tels que la dissipation, qui annihile inutilement l'état quantique. Par conséquent, comprendre les sources de perte responsables de la relaxation dans un système quantique donné est très pertinent. Puisque les circuits quantiques supraconducteurs sont les prétendants favoris pour l'informatique quantique, deux directions sont suivies dans ce travail pour étudier les sources de perte dans de tels circuits.1. Les résonateurs supraconducteurs à facteur de qualité élevé ont plusieurs applications en technologie quantique. Ce sont aussi les meilleurs bancs d'essai pour étudier les pertes. Dans ce travail, l'étude des pertes est réalisée en réalisant des résonateurs en aluminium de différents libre parcours moyen et capacités. Le comportement du facteur de qualité interne en fonction de la puissance micro-onde appliquée et de la température est étudié. L'étude se concentre sur les quasiparticules et les pertes diélectriques dans les résonateurs, qui sont considérées comme la principale cause de pertes dans les circuits quantiques supraconducteurs. Une analyse comparative des pertes du plan de masse est également effectuée afin d'estimer les pertes causées par le plan de masse métallique.2. Le qubit de fluxonium est l'un des qubits supraconducteurs de pointe. Leurs temps de relaxation peuvent atteindre 8 à 10 millisecondes dans une architecture 3D. Pour atteindre une grande évolutivité, les qubits doivent être fabriqués à l'aide d'une architecture 2D. Le changement d'architecture impose de nouvelles contraintes aux sources traditionnelles de perte tout en en introduisant de nouvelles. Les sources de perte provoquant la relaxation du qubit dans le qubit 2D Fluxonium sont le domaine d'intérêt dans ce travail. De plus, les causes du bruit dans un tel qubit sont examinées afin de comprendre les limites de la cohérence du qubit.
Processus assistés par dissipation et corrélations quantiques La dynamique dissipative des systèmes quantiques ouverts et les corrélations quantiques sont des sujets de grand intérêt actuel. Le premier en raison de sa nécessité pour décrire des systèmes réalistes et le second parce que les corrélations quantiques permettent de réaliser, en général, des protocoles véritablement quantiques. Cette thèse vise à étudier des processus physiques reposant sur la dissipation, en se concentrant également sur les corrélations quantiques et leur rôle dans ces processus, et sur la façon d'utiliser la dissipation pour générer des corrélations quantiques. Tout d'abord, nous présentons au lecteur les différents sujets abordés dans la thèse qui sont liés à divers domaines de recherche tels que les systèmes quantiques ouverts, la thermodynamique quantique, l'optique quantique et l'information quantique. Ensuite, chaque chapitre traite d'un sujet différent. Une première partie de la thèse inclut deux études dans le domaine de la thermodynamique quantique. Une première étude concerne un protocole d'extraction de travail exploitant un seul bain thermique. Le travail, défini dans la théorie des ressources thermodynamiques, est extrait d'une ressource et stocké dans un système bipartite en activant et en désactivant son interaction interne. Ensuite, nous appliquons ce protocole à deux systèmes physiques pertinents : deux qubits en interaction et le modèle de Rabi. Dans les deux cas, nous obtenons une extraction de travail comparable aux énergies nues des systèmes. Dans une seconde étude, nous analysons des machines thermiques quantiques basées sur des cycles thermodynamiques à deux temps utilisant deux bains à des températures différentes. Le fluide de travail est composé de systèmes avec des niveaux d'énergie régulièrement espacés et toutes les interactions considérées sont de type d'échange. Nous maximisons la puissance de deux cycles différents, en nous concentrant également sur le rôle du temps d'attente des machines. Dans une seconde partie de cette thèse, fortement liée aux systèmes quantiques ouverts, nous étudions d'abord la dynamique Markovienne et non-Markovienne d'un oscillateur harmonique quantique guidé au sein du modèle collisionnel. Même si ce projet de recherche est "en cours", nous avons déjà des résultats prometteurs tels que l'apparition d'un terme non adiabatique dans la limite continue de la dynamique Markovienne. Ensuite, nous étudions le modèle de Dicke à deux photons dans la limite de mauvaise cavité, en considérant un modèle assez général comprenant des bains de température finis et des pilotages cohérents et incohérents. Nous parvenons à dériver une équation maîtresse efficace pour la dynamique des qubits et à la comparer au cas à un photon. Dans le modèle à deux photons, nous observons une augmentation du taux d'émission de type spontané des qubits et une augmentation de la température effective perçue par les qubits. Ces différences conduisent à une génération plus rapide d’états stationnaires avec cohérence et à une dépendance plus riche des effets collectifs sur la température. Dans la dernière partie de la thèse, nous explorons la connexion entre l'énergie et l'intrication quantique dans un système bipartite fini arbitraire sans interaction, trouvant également les états intriqués d'énergie minimale (MEESs), c'est-à-dire les états ayant la quantité d'énergie minimale pour un degré donné d’intrication quantique. Nous étudions également comment ces états peuvent être générés à la fois par des processus unitaires et dissipatifs, trouvant, pour ces derniers, que les MEESs sont pratiquement les plus économiques à produire. De plus, les MEESs peuvent être connectés entre eux au moyen d'opérations locales et de communication classique et semblent avoir des connexions remarquables avec la thermodynamique quantique et la physique à plusieurs corps. Enfin, nous analysons comment utiliser nos résultats pour réduire le coût énergétique de différents protocoles d'information quantique.
Contrôle quantique d'oscillateurs harmoniques avec des circuits supraconducteurs : stabilisation dissipative d'un qubit de chat comprimé et détection quantique d'un résonateur mécanique Le traitement de l'information quantique promet de révolutionner le calcul, la communication et la détection en exploitant des phénomènes proprement quantiques tels que la superposition et l'intrication. Dans la plupart des plateformes, l'information quantique est encodée dans des systèmes à deux niveaux (qubits) qui doivent être finement contrôlés et isolés pour préserver leur cohérence face aux erreurs de bit et de phase. Les circuits supraconducteurs se sont imposés comme une plateforme de premier plan, grâce à des progrès rapides sur les temps de cohérence, la fidélité des portes logiques et le contrôle multi-qubit. Cependant, la mise à l'échelle vers des machines réellement exploitables nécessitera probablement des encodages plus efficaces que de simples systèmes à deux niveaux. Les oscillateurs harmoniques (modes bosoniques) offrent une voie prometteuse: leur espace de Hilbert infini permet de réaliser des codes correcteurs d'erreurs efficaces. Cette thèse explore deux approches complémentaires fondées sur le contrôle d'oscillateurs à l'aide de circuits supraconducteurs. Dans une première partie, nous démontrons la stabilisation dissipative d'états de chat compressés dans un résonateur micro-onde. Les codes de chat - superpositions de deux états cohérents - présentent un fort biais de bruit : les erreurs de bit y sont exponentiellement supprimées avec la taille du chat, tandis que les erreurs de phase ne croissent que linéairement, permettant une tolérance aux fautes intrinsèquement efficace. Nous introduisons ici la compression directement dans la variété stabilisée - sans modification matérielle - afin d'allonger encore la durée de vie vis-à-vis des erreurs de bit à taux d'erreur de phase constant, améliorant ainsi les performances logiques. Nous observons une réduction abrupte du taux d'erreurs de bit, diminuant d'un facteur 74 par photon moyen ajouté. Pour un chat de population moyenne de 4.1 photons, nous mesurons un temps de renversement de phase de 1.3 µs et un temps de renversement de bit de 22 s, soit une amélioration d'un facteur 160 par rapport à un chat standard. Cette déformation de l'espace de code bénéficie également aux opérations sur un seul qubit : nous démontrons une réduction par deux de l'infidélité de la porte Z. Dans une seconde partie, nous couplons un qubit supraconducteur à une membrane en nitrure de silicium de facteur de qualité élevé, vibrant dans la gamme des mégahertz. Pour combler le grand écart de fréquence avec les circuits supraconducteurs conventionnels, nous employons un circuit de type fluxonium lourd dont la structure d'énergie comprend une transition basse fréquence couplée résonamment au mode mécanique, ainsi que des transitions dans la gamme des GHz utilisées pour le contrôle et la lecture du qubit. Au cours de la durée de vie de la membrane (6 ms), les deux systèmes échangent plus de 300 fois une excitation unique. En utilisant le qubit comme spectromètre stroboscopique, nous effectuons des mesures faibles répétées et reconstruisons le spectre de bruit de position de la membrane. En préparant le qubit alternativement dans son état fondamental ou excité avant chaque interaction, nous résolvons l'asymétrie fondamentale absorption-émission - preuve directe de la non-commutation des opérateurs d'échelle phononiques - et établissons ainsi le caractère quantique d'un mode mécanique massif et de longue durée de vie. Au-delà des perspectives pour la mémoire et la détection quantiques, la masse macroscopique et la longue cohérence de tels modes ouvrent une voie vers l'exploration de la frontière entre monde quantique et monde classique. Ces résultats illustrent la polyvalence des circuits supraconducteurs pour l'ingénierie de la dynamique et de la dissipation des oscillateurs, et montrent comment la combinaison de modes bosoniques et de contrôle par qubit permet de faire simultanément progresser le traitement quantique de l'information tolérant aux fautes et l'étude fondamentale [...].
Réalisation d’une dissipation multi-photonique grâce aux circuitssupraconducteurs pour la correction d’erreur quantique Les états quantiques peuvent occuper des états particuliers tels que les états de superposition ou intriqués. Ces états sont fragiles et finissent toujours par être détruits par d’inévitables interactions avec l’environnement. La protection d’états quantiques contre la décohérence est un problème fondamental en physique, mais aussi un point crucial pour l’avenir de l’informatique quantique. Dans cette thèse, nous discutons d’expériences conduites sur des circuits supraconducteurs qui cherchent à mettre en évidence un nouveau qubit : le qubit de chat de Schrödinger. Ce qubit appartient à la classe des codes bosoniques qui encodent l’information quantique dans l’espace de Hilbert de dimension infinie d’un résonateur microonde. En modelant avec soin la dissipation de ce résonateur, nous parvenons à stabiliser les états de base du qubit de chat sans affecter leurs superpositions. En terme d’erreurs, cela se traduit en un taux de bit-flip réduit sans augmenter le taux de phase-flip initial. Cette approche vient défier l’intuition selon laquelle un qubit doit être isolé de son environnement. Au lieu de cela, cette dissipation bien choisie agit comme une boucle de rétroaction qui corrige les erreurs de manière continue et autonome. Cette dissipation décisive est connue sous le nom de dissipation à deux photons et est générée grâce à la méthode du pompage paramétrique. Dans notre cas, il est utilisé pour intensifier sélectivement une interaction d’échange de photons deux-pour-un entre le résonateur du qubit de chat et un autre résonateur dissipatif. Pour démontrer la correction d’erreur avec les qubits de chats, des efforts expérimentaux ont été fournis pendant cette thèse pour franchir le seuil au delà duquel la correction est plus rapide que l’apparition de nouvelles erreurs, notamment celles induites par le mécanisme de correction lui-même. Ceci nous a conduit à questionner les limites actuelles du pompage paramétrique afin de mieux concevoir nos circuits supraconducteurs. Maitriser ces dissipations exotiques nous a aussi amené à d’autres applications telles que la détection de photon microondes itinérants pour laquelle une preuve de principe expérimentale a été réalisée au cours de cette thèse.
Transition de phase dissipative et dualité de la jonction Josephson Plus d'un siècle après sa découverte, la supraconductivité est aujourd'hui utilisée dans de nombreuses applications. Une de ces applications est l'électronique supraconductrice, et un des blocs de base de celle-ci est la jonction Josephson. Cet élément a permis la réalisation de circuits électroniques dans le régime quantique et il a aidé à redéfinir la valeur du Volt dans le Système International d'unité à partir d'effets quantiques. Ces dernières années, beaucoup de temps et d'efforts sont dépensés pour améliorer ce composant et les circuits l'intégrant dans l'objectif de réaliser de meilleurs circuits à bit quantique pour l'informatique quantique. Il est donc normal de se demander si l'existence de ces circuits de pointe contenant des jonctions Josephson et des supraconducteurs conventionnels indique une maîtrise parfaite de ceux-ci. Dans ce travail de thèse, nous montrons que cela n'est pas entièrement le cas via l'exploration de deux circuits quantiques supraconducteurs pour lesquels des études plus approfondies sont nécessaires. Le premier concerne la jonction Josephson elle-même et son comportement lorsqu'elle est mise en présence d'un environnement électromagnétique. En effet, il a été prédit il y a presque 40 ans qu'une jonction Josephson deviendrait isolante lorsqu'elle est connectée à une résistance plus grande que Rq=h/4e²≈6.45 kΩ. Nous ne trouvons aucunes traces de cet état isolant dans nos expériences qui mesurent l'admittance de jonctions Josephson connectées en parallèle de résistance de valeur R>Rq. Le deuxième circuit explore le composant supposé dual de la jonction Josephson, la jonction à sauts de phase quantique, qui consiste en un nanofil de supraconducteur fortement inductif. Dans ces nanofils, des sauts de 2π de la phase supraconductrice sont censés produire les effets duals des paires de Cooper passant par effet tunnel dans la jonction Josephson. La maîtrise de ces effets duals permettrait la réalisation d'une nouvelle classe de circuits supraconducteurs quantiques. Nous avons fabriqué des résonateurs micro-ondes à partir de couches minces de supraconducteur fortement inductif. Nous ne trouvons aucune signature de l'effet des sauts de phase quantiques dans nos dispositifs. Cependant, nous mesurons un fort bruit basse fréquence causé par des systèmes à deux niveaux, et nous explorons ses implications dans ce type de résonateur.
Le traitement de l'information quantique promet de révolutionner le calcul, la communication et la détection en exploitant des phénomènes proprement quantiques tels que la superposition et l'intrication. Dans la plupart des plateformes, l'information quantique est encodée dans des systèmes à deux niveaux (qubits) qui doivent être finement contrôlés et isolés pour préserver leur cohérence face aux erreurs de bit et de phase. Les circuits supraconducteurs se sont imposés comme une plateforme de premier plan, grâce à des progrès rapides sur les temps de cohérence, la fidélité des portes logiques et le contrôle multi-qubit. Cependant, la mise à l'échelle vers des machines réellement exploitables nécessitera probablement des encodages plus efficaces que de simples systèmes à deux niveaux. Les oscillateurs harmoniques (modes bosoniques) offrent une voie prometteuse: leur espace de Hilbert infini permet de réaliser des codes correcteurs d'erreurs efficaces. Cette thèse explore deux approches complémentaires fondées sur le contrôle d'oscillateurs à l'aide de circuits supraconducteurs. Dans une première partie, nous démontrons la stabilisation dissipative d'états de chat compressés dans un résonateur micro-onde. Les codes de chat - superpositions de deux états cohérents - présentent un fort biais de bruit : les erreurs de bit y sont exponentiellement supprimées avec la taille du chat, tandis que les erreurs de phase ne croissent que linéairement, permettant une tolérance aux fautes intrinsèquement efficace. Nous introduisons ici la compression directement dans la variété stabilisée - sans modification matérielle - afin d'allonger encore la durée de vie vis-à-vis des erreurs de bit à taux d'erreur de phase constant, améliorant ainsi les performances logiques. Nous observons une réduction abrupte du taux d'erreurs de bit, diminuant d'un facteur 74 par photon moyen ajouté. Pour un chat de population moyenne de 4.1 photons, nous mesurons un temps de renversement de phase de 1.3 µs et un temps de renversement de bit de 22 s, soit une amélioration d'un facteur 160 par rapport à un chat standard. Cette déformation de l'espace de code bénéficie également aux opérations sur un seul qubit : nous démontrons une réduction par deux de l'infidélité de la porte Z. Dans une seconde partie, nous couplons un qubit supraconducteur à une membrane en nitrure de silicium de facteur de qualité élevé, vibrant dans la gamme des mégahertz. Pour combler le grand écart de fréquence avec les circuits supraconducteurs conventionnels, nous employons un circuit de type fluxonium lourd dont la structure d'énergie comprend une transition basse fréquence couplée résonamment au mode mécanique, ainsi que des transitions dans la gamme des GHz utilisées pour le contrôle et la lecture du qubit. Au cours de la durée de vie de la membrane (6 ms), les deux systèmes échangent plus de 300 fois une excitation unique. En utilisant le qubit comme spectromètre stroboscopique, nous effectuons des mesures faibles répétées et reconstruisons le spectre de bruit de position de la membrane. En préparant le qubit alternativement dans son état fondamental ou excité avant chaque interaction, nous résolvons l'asymétrie fondamentale absorption-émission - preuve directe de la non-commutation des opérateurs d'échelle phononiques - et établissons ainsi le caractère quantique d'un mode mécanique massif et de longue durée de vie. Au-delà des perspectives pour la mémoire et la détection quantiques, la masse macroscopique et la longue cohérence de tels modes ouvrent une voie vers l'exploration de la frontière entre monde quantique et monde classique. Ces résultats illustrent la polyvalence des circuits supraconducteurs pour l'ingénierie de la dynamique et de la dissipation des oscillateurs, et montrent comment la combinaison de modes bosoniques et de contrôle par qubit permet de faire simultanément progresser le traitement quantique de l'information tolérant aux fautes et l'étude fondamentale [...].
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.