De la lecture d'un qubit à celle d'un état à N corps dans les plateformes d'électrodynamique quantique de circuit La manipulation et le contrôle robustes des systèmes quantiques nécessitent une méthode rapide et efficace pour lire leur état. Après quel’électrodynamique quantique en cavité (cavity QED) a ouvert la voieà la manipulation d’atomes neutres et d’ions à l’aide de la lumière,l’électrodynamique quantique en circuit (circuit QED) est devenue leparadigme dominant pour la lecture d’atomes artificiels tels que les circuits supraconducteurs, la lecture dispersive étant largement adoptéepour sa stabilité et son efficacité. Récemment, la lecture longitudinale est apparue comme un protocole delecture potentiellement plus rapide, mais elle repose sur une modulation paramétrique sophistiquée dont les mécanismes sous-jacents demeurentencore mal compris. Les interactions longitudinales ont été démontrées sur diverses plateformes allant des qubits supraconducteurs aux boîtes quantiques, et reposent sur l’excitation du qubit à la fréquence du résonateur.Dans différents régimes, le couplage apparaît de manière paramétrique en fonction de l’amplitude de l’excitation, croissant linéairement avec celle-ci.Dans ce manuscrit, nous démontrons expérimentalement la rupture de ce régime paramétrique dans un qubit de charge à deux niveaux basé sur une boîte quantique, et nous développons une théorie de Floquetunifiée établissant une connexion universelle entre le décalage AC Stark, le couplage longitudinal et la lecture dispersive en cQED.Nous dérivons des résultats analytiques, appuyés par des simulations numériques exactes, que nous appliquons à des systèmes cQED supraconducteurs et hybrides spin-charge, illustrant la flexibilité de la lecturelongitudinale plus rapide que la lecture dispersive.Inspirés par les capacités de lecture de la cQED pour les mesuressur un seul qubit, nous abordons la lecture d’états à plusieurs corpsdans les simulateurs quantiques. Puisque le facteur de structure dynamique (DSF) encode des informations essentielles sur les excitationsde densité dans les systèmes quantiques, nous proposons la spectroscopied’admittance multi-corps (MADS) comme une méthode faiblement invasive pour sonder le DSF en analysant les coefficients de transmission dessignaux micro-ondes couplés au simulateur quantique. Nous démontrons cette approche sur une chaîne unidimensionnelle de fermions sans spin,représentative des implémentations du modèle de Heisenberg à base de boîtes quantiques, et nous discutons, à l’aide de simulations numériquesobtenues par diagonalisation exacte et par la méthode du groupe de renormalisation de la matrice de densité (DMRG), de la possibilité demesurer les modifications qualitatives du DSF induites par les interactions. Nos résultats mettent en évidence le potentiel de la MADS pour lacaractérisation des propriétés dynamiques des simulateurs quantiques à semi-conducteurs hautement réglables, élargissant ainsi la boîte à outils dédiée à la lecture des simulateurs quantiques.
De la lecture d'un qubit à celle d'un état à N corps dans les plateformes d'électrodynamique quantique de circuit La manipulation et le contrôle robustes des systèmes quantiques nécessitent une méthode rapide et efficace pour lire leur état. Après quel’électrodynamique quantique en cavité (cavity QED) a ouvert la voieà la manipulation d’atomes neutres et d’ions à l’aide de la lumière,l’électrodynamique quantique en circuit (circuit QED) est devenue leparadigme dominant pour la lecture d’atomes artificiels tels que les circuits supraconducteurs, la lecture dispersive étant largement adoptéepour sa stabilité et son efficacité. Récemment, la lecture longitudinale est apparue comme un protocole delecture potentiellement plus rapide, mais elle repose sur une modulation paramétrique sophistiquée dont les mécanismes sous-jacents demeurentencore mal compris. Les interactions longitudinales ont été démontrées sur diverses plateformes allant des qubits supraconducteurs aux boîtes quantiques, et reposent sur l’excitation du qubit à la fréquence du résonateur.Dans différents régimes, le couplage apparaît de manière paramétrique en fonction de l’amplitude de l’excitation, croissant linéairement avec celle-ci.Dans ce manuscrit, nous démontrons expérimentalement la rupture de ce régime paramétrique dans un qubit de charge à deux niveaux basé sur une boîte quantique, et nous développons une théorie de Floquetunifiée établissant une connexion universelle entre le décalage AC Stark, le couplage longitudinal et la lecture dispersive en cQED.Nous dérivons des résultats analytiques, appuyés par des simulations numériques exactes, que nous appliquons à des systèmes cQED supraconducteurs et hybrides spin-charge, illustrant la flexibilité de la lecturelongitudinale plus rapide que la lecture dispersive.Inspirés par les capacités de lecture de la cQED pour les mesuressur un seul qubit, nous abordons la lecture d’états à plusieurs corpsdans les simulateurs quantiques. Puisque le facteur de structure dynamique (DSF) encode des informations essentielles sur les excitationsde densité dans les systèmes quantiques, nous proposons la spectroscopied’admittance multi-corps (MADS) comme une méthode faiblement invasive pour sonder le DSF en analysant les coefficients de transmission dessignaux micro-ondes couplés au simulateur quantique. Nous démontrons cette approche sur une chaîne unidimensionnelle de fermions sans spin,représentative des implémentations du modèle de Heisenberg à base de boîtes quantiques, et nous discutons, à l’aide de simulations numériquesobtenues par diagonalisation exacte et par la méthode du groupe de renormalisation de la matrice de densité (DMRG), de la possibilité demesurer les modifications qualitatives du DSF induites par les interactions. Nos résultats mettent en évidence le potentiel de la MADS pour lacaractérisation des propriétés dynamiques des simulateurs quantiques à semi-conducteurs hautement réglables, élargissant ainsi la boîte à outils dédiée à la lecture des simulateurs quantiques.
Mesures quantiques utilisant une molécule artificielle supraconductrice en électrodynamiques quantique des circuits En circuit-QED, la technique la plus usuelle pour lire l'état d'un qubit est d'utiliser le couplage transverse entre le qubit et une cavité micro-onde dans la limite dispersive. Cependant, malgré d'importants progrès au cours de cette décennie, obtenir une lecture rapide, en un seul coup et hautement fidèle d'un qubit reste un défi majeur. En effet, la distinction de l'état d'un qubit est limitée par le compromis entre vitesse d'acquisition et précision. Cette limite a pour origine le couplage transverse qui impose deux importantes contraintes expérimentales : premièrement, augmenter les interactions pour lire plus rapidement restreint la durée de vie du qubit via l'effet Purcell. La seconde contrainte est sur la force du signal, qui est limitée pour éviter des transitions non voulues et induites par la mesure. Par conséquent, le défi expérimental à relever avec le couplage transverse est d'acquérir un signal faible en un temps court...Pour surmonter ces limitations, nous voulons changer de paradigme en introduisant un nouveau schéma de lecture qui se base sur un couplage cross-Kerr direct. Ce schéma est obtenu grâce à une molécule artificielle supraconductrice couplée à une cavité micro-onde 3D. La molécule est construite en couplant inductivement deux atomes transmons supraconducteurs. Elle manifeste alors deux modes propres : le mode symétrique qubit transmon et le mode antisymétrique ancilla. En insérant cette molécule dans la cavité de manière optimale, une hybridation transverse entre l'ancilla et la cavité conduit à deux résonateurs faiblement anharmoniques, appelés polaritons. Ces derniers possèdent un couplage cross-Kerr direct et large avec le qubit transmon. En mesurant le signal micro-onde transmis par un polariton, l'état du qubit peut être résolu.Théoriquement, dans ce nouveau paradigme, le qubit est immunisé contre les limitations du couplage transverse tel que l'effet Purcell. Cependant, pour les deux échantillons étudiés, un couplage transverse résiduel existe à cause d'imperfections expérimentales. Même faible, il limite pour l'instant la durée de vie du qubit et nos performances de lecture. Malgré cela, nous avons obtenu une lecture du qubit en un seul coup avec une fidélité allant jusqu'à 97.2 % en 500 ns par une mesure dite de verrouillage grâce à la non-linéarité du polariton. Dans une limite linéaire à faible nombre de photons, nous démontrons une fidélité atteignant 94.7 % en seulement 50 ns de lecture grâce à l'ajout d'un amplificateur paramétrique Josephson. Dans ce régime, les sauts quantiques sont résolus et le qubit est lu de manière non-destructive 99.2 % du temps.
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.
L'électrodynamique quantique en circuit est un contexte unique pour l'optique quantique et le calcul quantique. Dans cette architecture où des qubits supraconducteurs, composés de jonctions Josephson, sont fortement couplés au champ électromagnétique de résonateurs coplanaires, la dynamique du système est semblable à celle des atomes dans des cavités optiques. La polyvalence de la conception des circuits supraconducteurs permet d'étudier l'interaction lumière-matière de différents régimes et manières. Ainsi, plusieurs qubits peuvent être couplés à un seul résonateur afin de les enchevêtrer. Une jonction Josephson peut également être intégrée directement au résonateur afin de produire une interaction non linéaire entre les photons. De la même manière, il a été suggéré que le couplage qubit-résonateur pourrait devenir l'échelle d'énergie dominante du système : le régime de couplage ultrafort. Malgré que la dynamique qubit-résonateur soit bien comprise, les modèles actuels ne permettent pas de prédire correctement les effets dispersifs du résonateur sur les qubits tels : le décalage de Lamb, l'interaction d'échange virtuelle et le temps de relaxation. Comme il n'y a pas non plus de modèle général permettant de déterminer les caractéristiques d'un résonateur non linéaire, on comprend mal comment rendre la non-linéarité plus forte, ni même si le régime de couplage ultrafort peut être physiquement réalisé dans ces circuits. Dans le cadre de ma thèse, je me suis intéressé à la modélisation de qubits et de résonateurs afin de mieux comprendre l'interaction lumière-matière en circuits, dans le but de développer des conceptions alternatives d'architectures plus performantes ou qui explorent des régimes d'interactions méconnus. Pour ce faire, j'ai développé une méthode analytique générale permettant de trouver l'hamiltonien exact de circuits distribués non linéaires, une méthode basée sur la mécanique lagrangienne et la représentation des modes propres d'oscillation. La grande qualité de la méthode réside dans la description analytique détaillée des paramètres de l'hamiltonien du système en fonction de la géométrie et des caractéristiques électromagnétiques du circuit. Non seulement le formalisme développé réconcilie le modèle quantique avec l'électromagnétisme classique et la théorie des circuits, mais va bien au-delà en formulant d'importantes prédictions sur la nature des interactions et l'influence des fluctuations du vide du résonateur sur la dynamique des qubits supraconducteurs. À l'aide d'exemples numériques réalistes et compatibles avec les technologies actuelles, je montre comment de simples optimisations de conception permettraient d'augmenter grandement l'efficacité et la rapidité d'exécution de calculs quantiques avec l'architecture, en plus d'atteindre des régimes de non-linéarité et de couplage lumière-matière inédits. En permettant de mieux comprendre l'interaction lumière-matière dans les circuits et d'optimiser l'architecture afin d'atteindre de nouveaux régimes de couplages, la méthode d'analyse de circuit développée dans cette thèse permettra de tester et raffiner nos connaissances sur l'électrodynamique quantique et la physique quantique.
Cette thèse porte sur la réalisation d'un processeur quantique hybride, dans lequel les degrés de liberté collectifs d'un ensemble de spins sont utilisés comme une mémoire quantique multimode pour les qubits supraconducteurs. Nous concevons un protocole capable de stocker et de récupérer à la demande les états d'un grand nombre de qubits dans un ensemble de spin et nous démontrons les briques de bases des opérations mémoires avec des centres NV dans le diamant. Le protocole repose sur le couplage des spins à un résonateur à fréquence et facteur de qualité accordable. Les états quantiques sont écrits par absorption résonante d'un photon micro-ondes dans l'ensemble de spins, et lus par application d'une séquence d'impulsions aux spins. L'étape d'écriture du protocole est démontrée dans une première expérience dans laquelle sont intégrés sur la même puce un qubit supraconducteur, un résonateur à fréquence accordable, et l'ensemble de spins. Les états du qubit sont stockés dans les spins via le résonateur. Après le stockage, l'état quantique collectif qui en résulte est rapidement déphasé en raison de l'élargissement inhomogène de l'ensemble et une séquence de refocalisation doit être appliquée sur les spins pour déclencher la réémission collective comme un écho de l'état quantique initialement absorbé. Dans une seconde expérience, nous démontrons une brique de base importante de cette opération de lecture, qui consiste à récupérer de multiples impulsions micro-ondes classiques au niveau du photon unique en utilisant des techniques d’écho de Hahn. Enfin, le repompage optique des spins est implémenté afin de réinitialiser la mémoire entre deux séquences successives.
Développement d'une mémoire quantique à base de spins pour les qubits supraconducteurs Cette thèse porte sur la réalisation d'un processeur quantique hybride, dans lequel les degrés de liberté collectifs d'un ensemble de spins sont utilisés comme une mémoire quantique multimode pour les qubits supraconducteurs. Nous concevons un protocole capable de stocker et de récupérer à la demande les états d'un grand nombre de qubits dans un ensemble de spin et nous démontrons les briques de bases des opérations mémoires avec des centres NV dans le diamant. Le protocole repose sur le couplage des spins à un résonateur à fréquence et facteur de qualité accordable. Les états quantiques sont écrits par absorption résonante d'un photon micro-ondes dans l'ensemble de spins, et lus par application d'une séquence d'impulsions aux spins. L'étape d'écriture du protocole est démontrée dans une première expérience dans laquelle sont intégrés sur la même puce un qubit supraconducteur, un résonateur à fréquence accordable, et l'ensemble de spins. Les états du qubit sont stockés dans les spins via le résonateur. Après le stockage, l'état quantique collectif qui en résulte est rapidement déphasé en raison de l'élargissement inhomogène de l'ensemble et une séquence de refocalisation doit être appliquée sur les spins pour déclencher la réémission collective comme un écho de l'état quantique initialement absorbé. Dans une seconde expérience, nous démontrons une brique de base importante de cette opération de lecture, qui consiste à récupérer de multiples impulsions micro-ondes classiques au niveau du photon unique en utilisant des techniques d’écho de Hahn. Enfin, le repompage optique des spins est implémenté afin de réinitialiser la mémoire entre deux séquences successives.
Un excellent candidat pour la réalisation d'un ordinateur quantique est le qubit supraconducteur. Il s'agit d'un système dont le spectre est discret et dont les niveaux d'énergie sont séparés de manière anharmonique. On peut donc dire qu'il s'agit d'une réalisation en circuit d'un atome artificiel. Afin de contrôler cet atome artificiel, on s'inspire de l'électrodynamique quantique en cavité, où un atome interagit avec le champ électromagnétique confiné dans une cavité. À l'aide de circuit, il est possible d'atteindre des forces de couplage lumière-matière impossible à atteindre en cavité. Le système proposé par Blais remplace les atomes par des qubits supraconducteurs et la cavité par un résonateur coplanaire supraconducteur. Malheureusement, obtenir des solutions numériques pour ce problème devient rapidement très demandant et ce, surtout en présence d'une excitation extérieure de grande amplitude. Dans ce cas, plusieurs approximations ne tiennent plus lorsqu'on s'intéresse à la physique de ce système. Par exemple, à forte puissance, les qubits supraconducteurs ne peuvent plus être traités comme de simples systèmes à deux niveaux. On doit effectivement tenir compte des niveaux supérieurs du qubit. Un exemple de cette difficulté est la mesure à avalanche, qui permet de déterminer l'état initial d'un qubit en regardant le nombre de photons dans le résonateur dans son état stationnaire. Dans un certain régime de paramètres, il est possible d'atteindre un nombre de l'ordre de 10[indice supérieur 5] photons lors de cette mesure. Ceci correspond à un espace de Hilbert très grand, de sorte que trouver numériquement l'état stationnaire est un défi, mais simuler la dynamique de ce système est un défi encore plus grand. Il faut donc se tourner vers des approximations ou des techniques numériques différentes pour parvenir à saisir la dynamique de ces systèmes. C'était donc la motivation première de ce projet. Pour y parvenir, il a fallu utiliser diverses méthodes numériques, ainsi que quelques approximations. Avec ces méthodes, on a étudié la dynamique de deux types de mesure qui se produisent à très grand nombre de photons et donc nécessitant un très grand espace de Hilbert.