Développement d'une mémoire quantique à base de spins pour les qubits supraconducteurs

Towards a spin ensemble quantum memory for superconducting qubits

• Auteur / Autrice : Cécile Grezes
• Direction : Patrice Bertet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 14/11/2014
• Etablissement(s) : Paris 6
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : John Morton, Leo Di Carlo, Klaus Molmer, Bernard Dieny, Julien Laurat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Théorie quantique

Spin

Mots clés libres

Information quantique

Système hybride

Mémoire quantique

Ensemble de spin

Multi-Qubit

Centre NV

Hybrid quantum processor

NV center

Résumé

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.

This thesis work discusses the development of a hybrid quantum processor, in which collective degrees of freedom of an ensemble of spins are used as a multimode quantum memory for superconducting qubits. We design a memory protocol able to store and retrieve on demand the state of a large number of qubits in a spin ensemble and we demonstrate building blocks of its operations with NV centers in diamond. The protocol relies on the coupling of the NV ensemble to a resonator with tunable frequency and quality factor. Incoming quantum states are written by resonant absorption of a microwave photon in the spin ensemble, and then read out of the memory by applying a sequence of control pulses to the spins and to the resonator. The write step of the protocol is demonstrated in a first experiment by integrating on the same chip a superconducting qubit, a resonator with tunable frequency, and the NV ensemble. Arbitrary qubit states are stored into the spin ensemble via the resonator. After storage, the resulting collective quantum state is rapidly dephased due to inhomogeneous broadening of the ensemble and a refocusing sequence must be applied on the spins to bring them to return in phase and to re-emit collectively the quantum state initially absorbed as an echo. In a second experiment, we demonstrate an important building block of this read-out operation, which consists in retrieving multiple classical microwave pulses down to the single photon level using Hahn echo refocusing techniques. Finally, optical repumping of the spin ensemble is implemented in order to reset the memory in-between two successive sequences.