Mesures quantiques utilisant une molécule artificielle supraconductrice en électrodynamiques quantique des circuits

Qubit readouts using a transmon molecule in a 3D circuit quantum electrodynamics architecture

• Auteur / Autrice : Rémy Dassonneville
• Direction : Olivier Buisson, Nicolas Roch
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la matière condensée et du rayonnement
• Date : Soutenance le 31/01/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Néel (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : David P. DiVincenzo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alexia Auffèves-Garnier, Christopher Eichler
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Benjamin Huard, Peter J. Leek

Mots clés

Mots clés contrôlés

Supraconducteurs

Théorie de l'information quantique

Mots clés libres

Bit quantique supraconducteur

Mesures quantiques

Jonctions Josephson

Transmon

Couplage cross-Kerr

Couplage transverse

Superconducting quantum bit

Quantum measurements

Josephson junctions

Transmon

Cross-Kerr coupling

Transverse coupling

Résumé

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.

Using the transverse coupling between a qubit and a microwave cavity in the dispersive limit is the most common technique in circuit-QED to readout a qubit state. However, despite important progress in the last decade, implementing a fast single shot high fidelity readout remains a major challenge. Indeed, inferring the qubit state is limited by the trade-off between speed and accuracy. The transverse coupling imposes two significant experimental limitations: firstly, increasing the interaction for faster readout leads to limited qubit lifetime via the Purcell effect. Secondly, the strength of the signal is limited to avoid unwanted measurement-induced transitions. Therefore, the experimental challenge with transverse coupling is to acquire a weak signal in a short time...To overcome these limitations, we want to change this coupling paradigm by introducing a new readout scheme relying on a direct cross-Kerr coupling. This scheme is obtained thanks to a superconducting artificial molecule coupled to a microwave 3D cavity. The molecule is built by inductively coupling two transmon artificial atoms, resulting in two eigenmodes: a symmetric mode, the transmon qubit and an antisymmetric mode, the ancilla. By optimal positioning of the molecule in the cavity, a transverse hybridization between ancilla and cavity leads to two weakly anharmonic resonators, called polaritons. The latter possess a large and direct cross-Kerr coupling with the transmon qubit. By driving one of the polariton, the qubit states can be resolved.Theoretically, in such a coupling scheme, the qubit is immune to the limitation of the transverse coupling such as the Purcell effect. However, for the two studied samples, a residual transverse coupling remains due to experimental imperfections. Even if it is weak, it limits for now the qubit lifetime and the readout performances. Despite this, we observe single shot qubit readout performance with fidelity as high as 97.2 % in a 500 ns latching measurement using the non-linearity of the polariton. In a low photons number linear regime, we report fidelity as high as 94.7 % in only 50 ns thanks to the addition of a Josephson parametric amplifier. In this regime, quantum jumps are resolved and the qubit is measured non-destructively 99.2 % of the time.