Quantum Control of Harmonic Oscillators with Superconducting Circuits : Dissipative Stabilization of a Squeezed-Cat Qubit & Quantum Sensing of a Mechanical Resonator
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 [...].
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 [...].
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 [...].
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.
Correction d’erreurs quantiques avec des qubits de chats Au cours des deux dernières décennies, les circuits supraconducteurs se sont imposés comme une plateforme prometteuse pour la construction d’un ordinateur quantique. Cependant, ils demeurent limités par leur temps de cohérence qui reste insuffisant pour démontrer un avantage quantique pratique. La correction d'erreur quantique offre une approche pour contrer la décohérence, le principe fondamental étant d'introduire de la redondance afin de définir un qubit dit logique. Ainsi, si un qubit physique isolé subit une erreur, celle-ci peut être détectée et corrigée sans affecter l'information contenue dans le qubit logique. L'une des approches les plus intuitives, se rapprochant le plus de la correction d'erreur classique, consiste à utiliser une multitude de qubits physiques pour réaliser la redondance recherchée.Cette thèse explore une approche alternative, basée sur l'encodage de l'information quantique dans des cavités supraconductrices, la redondance étant alors simplement fournie par la dimension infinie de l'espace de Hilbert. Nous utilisons des qubits de chat pour lesquels les états logiques 0 et 1 sont des états cohérents d'un oscillateur harmonique. Ces états sont stabilisés en utilisant la dissipation à notre avantage, de sorte que les échanges de photons entre le mode harmonique et son environnement se fassent principalement par paires. Ainsi, les erreurs de type « bit-flip » sont supprimées exponentiellement avec le nombre de photons contenus dans le mode, au prix d'une augmentation linéaire des erreurs de type « phase-flip ». Ces erreurs pourraient alors être corrigées par une couche supplémentaire de correction, tel qu'un code de répétition de qubits de chats. Le coeur de ce travail de thèse consiste à introduire un circuit supraconducteur autoparamétrique qui couple de manière non-linéaire un mode contenant le qubit de chat à un mode dissipatif dont la fréquence est réglée au double de celle du mode du chat. Contrairement à de précédentes réalisations, ce couplage passif ne nécessite pas de pompe paramétrique et atteint un fort taux de dissipation d'environ 2 MHz. Les erreurs de bit-flip sont alors évitées pendant une période caractéristique pouvant aller jusqu'à 0.3 s, avec un impact modéré sur les erreurs de phase-flip. De plus, nous démontrons un contrôle universel de ce qubit en utilisant la dissipation à 2 photons pour réaliser des portes logiques X, Y et Z d'un angle arbitraire.
Stabilisation de qubits de chats avec des jonctions Josephson polarisées en tension dc Un défi central en informatique quantique est la réalisation de qubits avec des temps de cohérence longs et des opérations rapides. Cela nécessite d'isoler le système quantique de son environnement pour éviter la décohérence tout en permettant un contrôle externe précis, deux exigences apparemment contradictoires. Les qubits bosoniques dissipatifs pompés remettent en question l'idée selon laquelle les qubits doivent être isolés de leur environnement. En particulier, en concevant soigneusement l'excitation et la dissipation d'un oscillateur harmonique pour permettre un échange de paires de photons avec son environnement, il est possible d'encoder l'information quantique dans les deux états métastables de l'oscillateur. Cette approche stabilise de manière dissipative les qubits de chat, ce qui permet une suppression exponentielle intrinsèque du taux de bit-flip avec le nombre de photons, au prix modéré d'une détérioration linéaire du taux de phase-flip. Un paramètre clé dans cette stratégie est le taux de dissipation à deux photons, qui définit une limite supérieure pour la vitesse des portes du qubit-chat et doit être élevé par rapport à tout processus parasite. Dans cette thèse, nous proposons et étudions théoriquement un nouveau design de circuit supraconducteur pour la mise en œuvre du qubit chat dissipatif, le qubit de chat DC. Le circuit proposé remplace l'effet perturbatif d'une pompe paramétrique périodique pour médiatiser l'échange de deux photons, par l'évolution périodique naturelle d'une jonction Josephson biaisée en tension continu DC. Comparé aux approches plus conventionnelles basées sur des pompes paramétriques, notre conception simple devrait présenter un taux de dissipation à deux photons plus élevé que celui de la mise en œuvre du qubit-chat basé sur une pompe, tout en moyennant dynamiquement les termes parasites habituellement résonants tels que les non-linéarités de Kerr et de cross-Kerr. Un défi majeur lié à l'utilisation de jonctions Josephson polarisées en tension DC est leur sensibilité au bruit inévitable de la tension DC, qui est nuisible aux états du qubit chat en provoquant des dérives à long terme de l'angle de ce qubit. En plus d'adresser la stabilisation du qubit, nous proposons une technique de synchronisation par verrouillage d'injection, qui peut être vue comme un autre type de mécanisme dissipatif pompé, dans une version adaptée compatible avec les qubits de chat DC. Nous démontrons que l'introduction d'un faible signal AC d'injection afin de fournir une référence de phase à laquelle le chat peut se verrouiller, peut efficacement contrer les effets nuisibles du bruit de tension DC. L'ensemble du schéma est simulé sans approximations d'onde tournante, mettant en évidence pour la première fois l'amplitude des effets oscillatoires associés dans les schémas de stabilisation des qubits de chat. Cette étude pose les bases de la réalisation expérimentale d'un tel circuit. Au-delà de la stabilisation du qubit de chat, cette thèse fait progresser l'utilisation des mécanismes de stabilisation dissipative pompés et de jonctions Josephson polarisées en tension DC dans la conception des interactions paramétriques dans les circuits supraconducteurs et la correction autonome du bruit.
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.
Contrôle quantique d'un qubit de chat à temps de bit-flip macroscopiques Les interactions non contrôlées d’un système quantique avec son environnement provoquent de la décohérence, induisant des erreurs sur les qubits, l’unité fondamentale du traitement de l’information quantique. Cet obstacle freine aujourd’hui le développement de l’ordinateur quantique. Une stratégie prometteuse est la réalisation de qubits naturellement protégés contre certains types d'erreurs. Ces qubits sont appelés “qubits à bruit biaisé”. La promesse fondamentale est que : si un qubit est presque parfaitement protégé au niveau matériel contre un type d'erreur (par exemple, les bit-flips), alors les exigences matérielles pour protéger contre l'autre type d'erreur (par exemple, les phase-flips) sont considérablement réduites. Cependant, le gain anticipé repose sur une condition sévère : les manipulations quantiques du qubit ne doivent pas rompre la protection méticuleusement conçue au niveau matériel. Si cette condition n'est pas respectée, l'avantage des qubits à bruit biaisé est perdu. Dans ce travail, nous avons implémenté de tels qubits, connus sous le nom de qubits de chat. Dans une première expérience, le qubit est encodé dans une cavité 3D à haut facteur de qualité dotée de dissipation à deux photons. Nous démontrons la préparation de superpositions quantiques et mettons en évidence que l’appareil utilisé pour faire la tomographie d’état réduit la qualité du qubit implémenté. Dans une seconde expérience, nous utilisons un oscillateur supraconducteur 2D, et l’appareil de tomographie est retiré. Nous montrons que notre qubit de chat maintient un temps de bit-flip supérieur à dix secondes, et que nous pouvons contrôler la phase des états quantiques. Nous démontrons la compatibilité du contrôle quantique et de la protection intrinsèque contre les bit-flips à un niveau sans précédent, prouvant la viabilité des qubits à bruit biaisé pour les technologies quantiques futures.