Mesure à haute fidélité d'un qubit molécule de transmons dans le régime de haute puissance et suppression de transitions induites par la mesure Le domaine des qubits supraconducteurs est en constante évolution avec la création de nouveaux types de circuits, mais pour ce qui est de la mesure des qubits, peu d'alternatives sont offertes à part le schéma de mesure standard avec couplage transverse linéaire. Ce type de couplage limite intrinsèquement le shift dispersif du mode de mesure et induit de l'effet Purcell. Cette thèse propose de dépasser ces limites en concevant un couplage non-linéaire entre un qubit et son mode de lecture dédiée. Ce schéma de mesure est réalisé par un couplage cross-Kerr non-perturbatif généré par un circuit de type molécule de transmons. Un nouvel échantillon, avec des paramètres et une géométrie optimisée, montre des résultats de fidélité de 99.21%, mesurés avec amplification paramétrique, et une fidelité Quantum Non-Demolition (QND) de 96.6%. Ces résultats ont été obtenus avec 89 photons de mesure. Cette puissance est environ un ordre de grandeur supérieur aux puissances utilisées dans la plupart des schémas de mesure à haute fidélité. Cela souligne les performances prometteuses du schéma de mesure avec molécule de transmons en présence d'un grand nombre de photons de mesure. En outre, une étude des transitions d'état induites par la mesure (MIST) a été effectuée, car ce phénomène est l'une des plus grandes sources d'erreurs de mesure à haute puissance. En effet, les MIST causent une fuite de l'état du mode qubit vers hors de l'espace binaire des états de computation, donc l'intégralité de son spectre multi-états doit être prise en compte. Une mesure single-shot multi-états a été implémentée, en travaillant dans le régime de faible shift dispersif par rapport au couplage extérieur du mode de mesure. Il est donc possible de mesurer l'état du mode qubit jusque son cinquième état excité en présence de photons et d'identifier des fuites hors de l'espace de computation binaire. Les résultats indiquent que les MIST ont un effet minime sur l'état du qubit jusque des puissances de l'ordre de 400 photons. Cela est dû à un mécanisme de suppression des MIST qui est propre à la molécule de transmons et au choix des paramètres de circuit. Ces résultats expérimentaux sont corroborés par des simulations de Floquet et des analyses de branches, qui prédisent avec précision le comportement des MIST et leur suppression par le schéma de mesure avec molécule de transmons.
Mesure à haute fidélité d'un qubit molécule de transmons dans le régime de haute puissance et suppression de transitions induites par la mesure Le domaine des qubits supraconducteurs est en constante évolution avec la création de nouveaux types de circuits, mais pour ce qui est de la mesure des qubits, peu d'alternatives sont offertes à part le schéma de mesure standard avec couplage transverse linéaire. Ce type de couplage limite intrinsèquement le shift dispersif du mode de mesure et induit de l'effet Purcell. Cette thèse propose de dépasser ces limites en concevant un couplage non-linéaire entre un qubit et son mode de lecture dédiée. Ce schéma de mesure est réalisé par un couplage cross-Kerr non-perturbatif généré par un circuit de type molécule de transmons. Un nouvel échantillon, avec des paramètres et une géométrie optimisée, montre des résultats de fidélité de 99.21%, mesurés avec amplification paramétrique, et une fidelité Quantum Non-Demolition (QND) de 96.6%. Ces résultats ont été obtenus avec 89 photons de mesure. Cette puissance est environ un ordre de grandeur supérieur aux puissances utilisées dans la plupart des schémas de mesure à haute fidélité. Cela souligne les performances prometteuses du schéma de mesure avec molécule de transmons en présence d'un grand nombre de photons de mesure. En outre, une étude des transitions d'état induites par la mesure (MIST) a été effectuée, car ce phénomène est l'une des plus grandes sources d'erreurs de mesure à haute puissance. En effet, les MIST causent une fuite de l'état du mode qubit vers hors de l'espace binaire des états de computation, donc l'intégralité de son spectre multi-états doit être prise en compte. Une mesure single-shot multi-états a été implémentée, en travaillant dans le régime de faible shift dispersif par rapport au couplage extérieur du mode de mesure. Il est donc possible de mesurer l'état du mode qubit jusque son cinquième état excité en présence de photons et d'identifier des fuites hors de l'espace de computation binaire. Les résultats indiquent que les MIST ont un effet minime sur l'état du qubit jusque des puissances de l'ordre de 400 photons. Cela est dû à un mécanisme de suppression des MIST qui est propre à la molécule de transmons et au choix des paramètres de circuit. Ces résultats expérimentaux sont corroborés par des simulations de Floquet et des analyses de branches, qui prédisent avec précision le comportement des MIST et leur suppression par le schéma de mesure avec molécule de transmons.
Molécule transmon optimisée pour une mesure quantique non destructrice en utilisant un couplage cross-Kerr Pour effectuer des calculs quantiques, il est nécessaire de construire un circuit contenant plusieurs qubits interconnectés et d'être capable de lire ses états avec une grande fidélité. Le couplage dispersif transverse entre un qubit et une cavité micro-ondes est la technique la plus courante de lecture de qubits en cQED. Cependant, malgré des progrès importants, la mise en œuvre d'une lecture rapide et de haute fidélité reste un défi majeur. En effet, l'inférence de l'état du qubit est limitée par le compromis entre vitesse et précision dû à l'effet Purcell et aux transitions indésirables induites par les photons de lecture dans la cavité.Ce travail se concentre sur une étude expérimentale du couplage cross-Kerr et de ses avantages pour la lecture de l'état du qubit, en fournissant une haute fidélité et en maximisant la QNDness. Pour construire un nouveau schéma de lecture basé sur le couplage direct cross-Kerr, nous avons utilisé une architecture de qubit appelée "molécule transmon".Le couplage direct de Kerr croisé est un point clé de notre système de lecture, car il empêche le qubit de subir l'effet Purcell.Afin de réaliser le plein potentiel de ce système, des mesures approfondies ont été effectuées sur un système existant, puis une version améliorée a été conçue et fabriquée à l'aide d'une nouvelle recette de nanofabrication.Pour améliorer les performances du qubit et de la lecture, nous avons optimisé différents paramètres : la géométrie du circuit a été ajustée pour réduire l'amplitude du champ électrique micro-ondes aux interfaces ; les paramètres du circuit électrique ont été optimisés pour obtenir un désaccord important entre la lecture et les fréquences du transmon ; le couplage dipolaire indésirable entre le qubit transmon et la cavité a été réduit pour éviter l'effet Purcell.La recette de fabrication a également été étudiée et améliorée afin de se débarrasser des résidus de résine à la surface du substrat, appelés "voile de la mort", d'améliorer la qualité de l'aluminium et la reproductibilité des jonctions Josephson.Les mesures démontrent la lecture sans démolition quantique avec une fidélité aussi élevée que 99,4 % et un temps de relaxation 5 fois plus élevé qu'auparavant - 20 microsecondes.
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.
Le domaine des circuits supraconducteurs a connu une croissance spectaculaire au cours de la dernière décennie et constitue une architecture de premier plan pour l’informatique quantique. Le succès de cette architecture tient en partie à la simplicité du contrôle, à l’évolutivité et à la durée de vie de plus en plus longue du qubit transmon, qui est devenu dominant dans la plupart des processeurs. Bien que la fidélité de la plupart des opérations quantiques sur ces dispositifs dépasse généralement 98− 99%, des améliorations significatives des performances seront nécessaires pour parvenir à un calcul tolérant aux fautes. L’une des principales limites actuelles de ces opérations sur les qubits est due aux “fuites”, c’est-à-dire au peuplement des états d’énergie supérieure du qubit. Ces effets sont difficiles à appréhender d’un point de vue numérique et théorique, car de nombreuses transitions résultent de processus hors résonance qui sont généralement ignorés afin de rendre le problème traitable. En outre, beaucoup de ces effets sont causés par les niveaux d’énergie plus élevés du transmon, présents hors de son potentiel de confinement. Ceux-ci sont également négligés dans les simulations et les études théoriques pour des raisons de simplicité, ce qui entraîne une mauvaise caractérisation de la dynamique. Dans cette thèse, j’étudie comment nous pouvons comprendre, simuler avec précision et supprimer les processus à l’origine d’erreurs résultant de mesures et de contrôles forts sur les qubits transmon. Dans le cadre de ma recherche, je présente une méthode permettant de simuler efficacement des systèmes en présence de commandes à oscillation rapide, et comment celle-ci nous permet d’optimiser les commandes afin d’améliorer la fidélité des opérations. Cette méthode permet une accélération significative par rapport aux intégrateurs numériques traditionnels, et une version de ce solveur est maintenant incluse dans Qiskit Dynamics, un logiciel d’IBM. Je démontre en outre comment un pilote de mesure suffisamment forts pendant la lecture peut non seulement entraîner des fuites, mais aussi la population d’états en dehors du potentiel de confinement du transmon, ce que nous appelons l’“ionisation”. La compréhension de l’impact de ces effets parasites - et de la manière dont ils peuvent être évités - sera cruciale pour l’optimisation et le fonctionnement de la lecture dans les futurs dispositifs. Je conclurai par mes travaux en collaboration avec l’ETH Zurich sur les résultats de lecture de pointe utilisant des transmons et des filtres de Purcell réglables en fonction du flux, et j’expliquerai comment le réglage de la fréquence du transmon peut améliorer la fidélité de la lecture. Cela ouvre une autre voie pour améliorer la lecture des qubits supraconducteurs et nous rapproche potentiellement des applications utiles de ces dispositifs.
Contrôle et stabilisation haute-fidélité de qubits de chat Le développement de l'informatique quantique repose sur le besoin qu'un système quantique soit librement contrôlable mais aussi fortement protégé des influences néfastes, deux exigences souvent contradictoires. Une voie prometteuse pour surmonter cette difficulté réside dans les qubits à variables continues encodés dans les états "chat de Schrödinger" d'un oscillateur harmonique quantique. Une fois stabilisés par une dissipation à deux photons ou des hamiltoniens de Kerr, ces qubits "de chats" peuvent présenter une sensibilité exponentiellement faible aux canaux de bruit de bit-flip. Ce biais dans le bruit est très bénéfique pour la correction d'erreurs quantiques puisqu'il réduit les surcoûts expérimentaux en exigeant que seules les erreurs de changement de phase soient corrigées. Cependant, en vue de la réalisation de calculs sans erreurs à base de qubits de chat, plusieurs ordres de grandeur en fidélité de porte et de lecture doivent encore être gagnés. Dans cette thèse, en utilisant une analyse mathématique précise de la dynamique des qubits de chat, nous identifions des opportunités d'améliorer leur contrôle et d'atteindre des améliorations de plusieurs ordres de grandeur en protection contre les erreurs ou en fidélité de porte. Tout d'abord, nous étudions en détail le spectre énergétique des qubits de chat Kerr et montrons comment il limite la mise à l'échelle de la protection contre les flip de bits en présence de pertes induites e.g. par chaleur. À partir de cette étude, nous concevons un nouveau schéma de confinement des qubits de chat basé sur la combinaison d'une dissipation spécifique et d'un Hamiltonien d'échange à deux photons. Nous montrons comment ce schéma surpasse les propositions existantes en termes de fidélité de porte tout en conservant la suppression exponentielle des erreurs. Ensuite, nous nous concentrons sur les portes Zeno dissipatives et examinons le rôle du mode buffer dans le processus de porte. De cette analyse, nous concevons plusieurs implémentations de portes Zeno de haute fidélité, soit en réintégrant les informations perdues vers l'environnement dans le système initial, soit en réduisant la quantité d'informations perdues en premier lieu. Enfin, nous introduisons une méthode numérique, basée sur l'intégration en temps inverse d'un état adjoint, pour différencier une équation maîtresse de Lindblad avec un coût de mémoire faible. Nous démontrons l'efficacité de cette méthode pour le contrôle optimal de la lecture d'état d'un transmon et montrons des améliorations de fidélité avec des contrôles interprétables. La méthode est entièrement générique, a un faible surcoût numérique et peut être appliquée à une gamme de problèmes où la dissipation est essentielle au processus en cours d'optimisation. Tout au long de cette thèse, une attention particulière est accordée à la proposition de schémas qui sont expérimentalement viables avec les effets mis à disposition par les circuits supraconducteurs quantiques. En plus de fournir des propositions concrètes pour améliorer les opérations et la stabilisation de qubits de chat existants, nous espérons que cette thèse peut offrir de nouvelles perspectives sur la recherche notamment en ce qui concerne le rôle du mode buffer dans la stabilisation par dissipation contrôlée.
La mesure projective est une tâche qu’un ordinateur quantique universel devra effectuer régulièrement. En électrodynamique quantique en circuit, les qubits sont généralement mesurés par l’entremise d’un oscillateur auquel ils sont couplés. Ce mémoire étudie un couplage alternatif à la méthode de couplage conventionnelle. En remplaçant le couplage capacitif par le couplage inductif, on montre que la mesure des qubits supraconducteurs obtient plusieurs des avantages que promet la mesure longitudinale. En simulant l’hamiltonien complet de ce nouveau système, on identifie les limites d’une mesure basée sur le couplage inductif et on montre qu’avec des paramètres de circuit réalistes, il est possible de réaliser une mesure avec une fidélité de 99.9% et un aspect quantique non destructif (QND) au-delà de 99.9% en moins de 15 ns. On étudie également le transmon et le couplage capacitif. On explique pourquoi les opérateurs échelles devraient être évités pour décrire numériquement le transmon et comment ils peuvent être remplacés par des opérateurs dans la base de charge. On présente aussi la mesure dispersive basée sur le couplage capacitif ainsi que ses limites. En étudiant le spectre d’un transmon capacitivement couplé à un oscillateur, on montre l’existence d’un couplage entre les états ionisés du transmon et ses états logiques au-delà d’un certain nombre de photons. Cette observation pourrait expliquer pourquoi le temps de vie d’un transmon diminue lorsqu’on augmente la puissance de mesure. Finalement, on présente 2 réalisations expérimentales du couplage inductif. L’une est une réalisation 2D et l’autre implique un résonateur 3D.
Grâce à leur grande efficacité et à leur aptitude à l’extensibilité, les bits quantiques supraconducteurs (qubits) sont parmi les principaux candidats pour la réalisation d’un ordinateur quantique. Toutefois, leur performance est freinée par les limites de la mesure dispersive, qui s’avère plus sujette aux erreurs que ce que prédit la théorie. Cette anomalie, restée inexpliquée pendant près de deux décennies malgré de nombreuses investigations, constitue un obstacle important à la mise en œuvre de ces qubits. L’expérience montre qu’à haute intensité, la mesure dispersive du transmon — le qubit supraconducteur le plus utilisé — perturbe l’état du qubit au-delà du déphasage attendu pour une mesure, ce qui entraîne une baisse notable de la fidélité. Au cours des deux dernières décennies, plusieurs modèles théoriques ont été proposés pour tenter d’expliquer ce phénomène, mais leurs conclusions ne s’accordent pas avec l’expérience. Dans le cadre de ma maîtrise, j’ai collaboré avec Marie Frédérique Dumas, Alexander McDonald, Manuel H. Muñoz-Arias, Cristóbal Lledó, Benjamin D’Anjou et Alexandre Blais afin de mieux comprendre les causes de l’échec de la mesure dispersive à haute intensité. Nos travaux ont permis de mettre en évidence le mécanisme sous-jacent à l’échec de la mesure dispersive à haute intensité : l’ionisation du transmon. Cette étude a abouti à l’élaboration d’un cadre théorique unifié, publié dans un article intitulé Measurement-induced transmon ionization [1], reposant sur trois modèles complémentaires : un modèle quantique statique intégrant explicitement le résonateur de mesure et le transmon, un modèle semi-classique traitant le champ du résonateur comme une pompe cohérente sur le transmon, et un modèle entièrement classique dans lequel le transmon est représenté comme un pendule. Notons que chacun de ces modèles conserve l’intégralité du potentiel en cosinus du transmon et aboutit à des prédictions cohérentes. Ce cadre permet d’identifier les résonances multi-photons à l’origine de l’ionisation, ainsi que d’estimer numériquement, avec grande précision, le seuil de photons critique nécessaire à ce processus — en accord remarquable avec les données expérimentales récentes. Ce mémoire présente en détail les deux derniers modèles, en mettant l’accent sur l’approche classique, à laquelle j’ai consacré l’essentiel de mes travaux de recherche. Le domaine des circuits quantiques supraconducteurs a connu des progrès considérables ces dernières années, au point où ces circuits sont désormais largement considérés comme l’approche la plus prometteuse pour construire un ordinateur quantique. L’amélioration des temps de cohérence de ces qubits, de la fidélité des portes, ainsi que de la fidélité de lecture, a rendu ces systèmes suffisamment robustes pour qu’il soit possible de les rendre accessibles via internet. De même, des systèmes comptant plusieurs centaines de qubits sont désormais disponibles, et les premiers qubits logiques ont été réalisés expérimentalement. Malgré ces avancées remarquables, le défi de construire un processeur quantique à grande échelle reste redoutable. En effet, pour atteindre la tolérance aux fautes, il demeure essentiel d’améliorer chaque composant et chaque opération des dispositifs actuels. Il ne suffit pas de simplement mettre à l’échelle la technologie existante. Les opérations principales sur les qubits sont l’initialisation, les opérations à un qubit, les opérations à deux qubits et la mesure. Parmi celles-ci, la mesure est l’opération la plus lente et la moins fidèle. Cette sous-performance de la mesure des qubits supraconducteurs a été observée dès la première expérience sur l’architecture circuit QED en 2004. Ces observations sont restées sans explication complète pendant près de 20 ans. Dans ce mémoire, j'apporte une réponse à cette question, considérée comme la plus importante encore ouverte dans le domaine. Les résultats présentés font partie d’un article publié dans Physical Review X, dont je suis co-premier auteur [M. Frédérique Dumas*, B. Groleau-Paré*, Alexander McDonald, Cristóbal Lledó, Manuel Muñoz-Arias, Benjamin D’Anjou, A. Blais, Phys. Rev. X 14, 041023 (2024)]. Le problème de la sous- performance de la mesure en circuit QED y est étudié sous trois angles : quantique, semi- classique et classique. Bien que cet article résume les travaux collaboratifs d’une équipe de sept personnes à l’IQ sur une période de près de deux ans, j'ai mené de front l’approche classique, qui est décrite dans ce mémoire. Bref, bien qu’il ait bénéficié de l’environnement d’une équipe, les résultats présentés ici ont été développés par moi-même. Après une introduction aux circuits quantiques supraconducteurs, le chapitre 3 présente l’approche de Floquet pour étudier la mesure du transmon. Cette discussion aide à mettre en place les idées fondamentales et offre une base de comparaison pour les résultats de l’approche classique. Le chapitre 4 présente l’analogue classique du transmon entretenu et discute de l’émergence du chaos dans ce modèle. La quantification de Bohr-Sommerfeld y est introduite, ce qui permet de relier le modèle classique au problème de la mesure dans le système quantique. L’approche des « sapins » est ensuite introduite pour faciliter l’analyse de ce système complexe. À ma connaissance, il s'agit d'une approche originale. Le chapitre 5 traite de l’extraction du nombre critique de photons basée sur l’émergence du chaos. Ces résultats sont comparés avec succès à une expérience de l’équipe de Google, présentée dans l’article mentionné plus haut. Mais ce chapitre va bien au-delà de ce qui est présenté dans le PRX, en proposant des idées nouvelles développées lors de la rédaction de ce mémoire.