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.
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.
Les circuits supraconducteurs représentent une plateforme de choix pour le développement de technologies quantiques en raison de leurs propriétés de cohérence et de notre habilité à concevoir et à manipuler leur dynamique quantique de manière flexible. La réalisation de technologies ayant le potentiel de s’avérer utiles pour la société, telles qu’un ordinateur quantique tolérant aux fautes, nécessite cependant d’augmenter considérablement notre capacité à réaliser des opérations quantiques spécifiques sur ces systèmes et ce sans engendrer d’erreurs. Pour ce faire, il est nécessaire d’améliorer à la fois notre caractérisation, notre modélisation et notre contrôle des dispositifs quantiques afin d’être en mesure de comprendre et d’atténuer de façon pratique les sources d’erreurs qui limitent les performances actuelles. Mes travaux s’attaquent à cette problématique en développant de nouvelles approches pour sonder les qubits supraconducteurs, pour utiliser l’information acquise afin de concevoir des descriptions simplifiées de leur fonctionnement et de leurs imperfections, puis finalement pour optimiser nos contrôles externes sur ces modèles afin de réaliser des opérations avec des erreurs minimales. Plus spécifiquement, je me suis d’abord intéressé à la modélisation et à la simulation de la première expérience de correction d’erreurs quantiques avec des qubits supraconducteurs, laquelle a été réalisée dans le groupe d’Andreas Wallraff à l’ETH Zürich. Notre description numérique de cette expérience impliquant 17 qubits a permis de démontrer notre compréhension des résultats expérimentaux en plus d’étudier l’effet des différentes sources d’erreurs qui devront être mitigées dans les expériences futures. Dans l’objectif de contribuer concrètement à la réalisation d’opérations quantiques avec de meilleures fidélités, j’ai ensuite développé une méthodologie combinant l’apprentissage automatique et le contrôle optimal quantique. Cette approche a le potentiel de s’avérer fort utile en raison de sa simplicité d’utilisation et de son efficacité, lesquelles sont démontrées ici sur le contrôle d’un qubit supraconducteur. En collaboration avec le groupe de recherche chez Google Quantum AI, je me suis ensuite intéressé à la caractérisation précise des opérations réalisées sur des dispositifs comportant des dizaines de qubits. Nous avons développé deux protocoles qui sont robustes et très efficaces afin d’extraire une description des portes logiques qui peut directement être utilisée afin de calibrer ces opérations. Finalement, j’ai contribué à la conception d’une approche numérique permettant de résoudre des problèmes arbitraires d’optimisation sur les dynamiques de grands systèmes quantiques ouverts. Cette méthode possède un coût en mémoire minimal, ce qui nous permet de nous attaquer à des problèmes de contrôle optimal qui étaient autrement inaccessibles, comme l’optimisation de la mesure dispersive d’un qubit supraconducteur décrite par un modèle réaliste. Somme toute, mes travaux présentent plusieurs exemples où une approche basée sur un modèle et une compréhension physique nous permet de combiner la caractérisation au contrôle afin de contribuer concrètement au développement de technologies quantiques.
La course pour l’ordinateur quantique bat son plein, avec de multiple e!ort public et privé pour construire des ordinateurs quantiques à grande échelle. Parmi les défis à relever pour construire de tels ordinateurs, la lecture rapide et précise de l’état des qubits est un enjeu majeur. En e!et, la lecture est une étape cruciale dans l’exécution d’algorithmes quantiques, ainsi que dans la correction d’erreur quantique. Cette lecture doit être rapide et précise. Afin d’y arriver, il est possible de faire varier la forme du contrôle utilisé pour exciter le résonateur de lecture. Cependant, trouver une forme de contrôle optimale pour la lecture est un défi. En fait, le contrôle optimal quantique est un domaine de recherche qui vise à utiliser des méthodes d’optimisation pour trouver des formes de contrôle optimales. Dans ce mémoire, on applique le contrôle optimal à l’amélioration de la mesure, et ce pour deux situations. Premièrement, on utilise cette méthode pour améliorer la mesure du qubit fluxonium en profitant, en particulier, de la possibilité de changer le flux dans la boucle de ce qubit en fonction du temps. En utilisant cet outil, il a été possible d’obtenir une amélioration d’un ordre de grandeur de la précision de la lecture standard du fluxonium. En modifiant le flux en cours de mesure, cette amélioration est encore plus significative, avec une amélioration de plus de deux ordres de grandeur. Dans un deuxième temps, on applique le contrôle quantique afin d’améliorer un nouveau type de mesure des qubits transmons : la mesure par jonction. Dans ce contexte, l’outil d’optimisation a permis d’améliorer significativement la lecture par jonction du transmon, en réduisant le temps de réinitialisation du résonateur. Ces résultats démontrent le potentiel de l’utilisation du contrôle optimal quantique comme outil pour l’amélioration de la lecture de différents types de qubits.
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.
Cette thèse se concentre sur le traitement de l’information quantique à l’aide d’un dispositif supraconducteur, en particulier sur la réalisation de portes quantiques et d’algorithmes dans des systèmes quantiques ouverts. Un tel dispositif est construit par des qubits supraconducteurs de type transmon couplés à un résonateur supraconducteur. Pour la réalisation des portes quantiques et des algorithmes, une approche en une seule étape est utilisée. Nous proposons des schémas plus rapides et plus efficaces pour réaliser des portes de X-rotation et des portes d’enchevêtrement pour deux et trois qubits. Au cours de ces opérations, le nombre de photons du résonateur est annulé en raison du fort champ de micro-ondes ajouté. Elles ne nécessitent pas que le résonateur soit initialement préparé dans l’état de vide et les schémas est insensible à la désintégration du résonateur. En outre, la robustesse de ces opérations est démontrée en incluant l’effet de la décohérence des systèmes transmon et la désintégration du résonateur dans une équation maîtresse, ce qui permet d’obtenir une grande fidélité dans la simulation quantique. En outre, en utilisant les portes de X-rotation mises en oeuvre ainsi que les portes de phase, nous présentons une autre façon de mettre en oeuvre l’algorithme de Grover pour deux et trois qubits qui ne nécessite pas une série de portes simples. En outre, nous démontrons en simulant numériquement l’utilisation de la tomographie des processus quantiques pour caractériser pleinement la performance d’une porte d’enchevêtrement à un seul coup pour deux et trois qubits et nous obtenons des fidélités de processus supérieures à 93%. Ces portes sont utilisées pour créer des états intriqués de Bell et de Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ).
Contrôler des systèmes quantiques avec une précision arbitraire semble être un défi insurmontable en raison de l'influence de l'environnement se manifestant sous forme d'erreurs dans les algorithmes quantiques. Cependant, il existe des protocoles de tolérance aux fautes qui résolvent ce problème en stockant l'information quantique de manière redondante dans un état à plusieurs qubits. Il est crucial d'optimiser ces protocoles, en les adaptant aux processus de génération du bruit, dans le but de minimiser l'ajout d'espace et de temps aux calculs quantiques. Les méthodes actuelles se basent sur un cycle d'optimisation comprenant la caractérisation du matériel, la modélisation du bruit et des simulations numériques. Pour la majorité des études sur la tolérance aux fautes, le bruit est modélisé comme l'application stochastique de matrices de Pauli. Cette approche, communément appelé le modèle d'erreurs de Pauli est l'exemple typique de décohérence induite par l'environnement. Les probabilités associées à chacune des matrices de Pauli définissent le taux d'erreurs. Même si ce modèle d'erreurs est utilisé pour réaliser des preuves analytiques et effectuer des simulations classiques, le niveau de précision de ce dernier dépend de la nature quantique de la source d'erreurs. Toutefois, un dispositif quantique réaliste est affecté par un processus bruyant qui n'est pas très bien approximé par le modèle d'erreurs de Pauli. Un exemple extrême étant les erreurs cohérentes causées par rotation excessive d'un qubit. De plus, un modèle général de bruit quantique illustre beaucoup plus de caractéristiques que le modèle simplifié de Pauli. La notion de taux d'erreurs est alors moins bien définie dans ces cas. Ainsi, nous avons besoin d'une mesure appropriée pour quantifier l'effet du bruit qui s'intègre bien aux preuves de tolérance aux fautes. Pour ce faire, il existe plusieurs options dont la fidélité et la norme diamant. Les simulations numériques ont été centrales au développement des protocoles de tolérance aux fautes. Généralement, des simulations impliquant des modèles de bruits spécifiques sont utilisées pour évaluer l'efficacité de ces méthodes. Dans le cas du modèle simplifié d'erreurs de Pauli, la source du bruit est simulée par un algorithme classique appliquant une matrice de Pauli tirée selon une distribution prédéterminée. Cependant, il n'est généralement pas nécessaire d'assumer que le bruit est généré de façon stochastique. Par exemple, il est possible de décrire le bruit comme une évolution temporelle du système. Malgré cela, il existe des techniques pour mesurer numériquement la performance d'un protocole de tolérance aux fautes. Dans la présente thèse, nous faisons une étude critique des méthodes actuelles d'optimisation des protocoles de tolérances aux fautes et nous appuyons nos analyses sur des observations provenant de simulations numériques. D'abord, nous montrons que les protocoles de tolérance aux fautes sont sensibles à certains détails du modèle bruits qui ne sont pas bien décrits pas les métriques standards. Alors que la valeur d'une métrique peut être la même pour deux processus bruyants, nous observons que la performance d'un protocole de tolérance aux fautes peut différer grandement pour ces deux processus. Ainsi, nous avons défini de nouvelles métriques ne reposant pas sur les méthodes standards. Ces métriques s'appuient plutôt sur des méthodes d'apprentissage automatique qui considèrent les propriétés importantes des processus bruyants et qui permettent de prédire avec plus de précision la performance d'un protocole de tolérance aux fautes. Par la suite, nous argumentons que la présence d'événements rares détériore la précision des simulations numériques. En d'autres termes, les événements bruyants qui affectent significativement la performance d'un protocole de tolérances aux fautes sont rarement observés, ce qui engendre une grande erreur statistique dans les estimations numériques. Pour pallier partiellement à ce problème, nous présentons des méthodes d'échantillonnages préférentielles. Toutefois, la recherche de meilleures méthodes demeure ouverte. Finalement, la mauvaise qualité des précisions des métriques et la difficulté des simulations numériques nous amènent à conclure que la portée des méthodes actuelles d'optimisation des protocoles de tolérances aux fautes est très limitée. Nous supposons qu'une caractérisation expérimentale d'un tel protocole sur un ordinateur quantique de taille modeste permettrait de surmonter ces difficultés. Cela pourrait paver le chemin à la réalisation d'un ordinateur quantique tolérant les fautes.
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 [...].