Superconducting qubit in a resonator : test of the Legget-Garg inequality and single-shot readout

• Auteur / Autrice : Agustin Palacios-Laloy
• Direction : Daniel Estève
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique quantique
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Paris 6

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cavités résonnantes (microondes)

Supraconducteurs

Électrodynamique quantique

Résumé

Cette thèse présente un ensemble d'expériences de QED en circuit (cQED), dans lesquelles des atomes artificiels basés sur des circuits supraconducteurs sont couplés au champ électromagnétique d'un résonateur micro-ondes. Ce résonateur agit comme appareil de mesure pour l'atome, permettant d'illustrer des aspects fondamentaux de la physique quantique et de développer des briques de base pour un processeur quantique. Dans une première expérience nous suivons continuement l'évolution de l'atome tout en variant l'intensité de la mesure. Nous observons la transition du régime de mesure faible à celui de mesure forte, puis le gel de la dynamique du a l'effet Zénon quantique. Dans le régime de mesure faible nous testons si l'atome artificiel est en accord avec les hypothèses du réalisme macroscopique, à partir desquelles Leggett et Garg ont déduit une inégalité de Bell en temps. La violation de cette inégalité confirme que l'atome artificiel, bien que macroscopique, est un objet quantique. En ce qui concerne l'information quantique, nous avons enrichi l'architecture cQED en démontrant un système de lecture haute fidélité en un coup pour le qubit, un élément crucial pour un processeur quantique. Notre circuit utilise la transition dynamique d'un résonateur non-linéaire. Le système couplé formé par le qubit et le résonateur non linéaire permet en plus d'étudier l'interaction entre couplage fort et effets non linéaires -amplification paramétrique, sqeezing- ouvrant un nouveau sujet : le cQED non linéaire. Finalement, nous avons mis au point un circuit qui servirait d'intermédiaire pour que deux qubits arbitraires interagissent : un résonateur micro-ondes a fréquence accordable.

This thesis presents a series of circuit QED (cQED) experiments, in which artificial atoms consisting of superconducting circuits are strongly coupled to the electromagnetic field stored in a microwave resonator. This resonator can be used as a measurement apparatus for the atom, allowing both to address fundamental issues in quantum mechanics, and to develop building blocks for a quantum processor. In a first experiment we continuously monitored the evolution of a quantum system while varying the measurement strength. We observed the crossover from weak to strong measurement regimes, and, ultimately, the freezing of the dynamics by the Quantum Zeno Effect. In the weak measurement regime, we probed if the artificial atom complies with the macroscopic realism hypotheses, from which Leggett and Garg have derived a Bell's inequality in time. The violation of this inequality confirms that although macroscopic, the artificial atom is a truly quantum object. On the quantum information side, we have enriched the proposed cQED quantum processor architecture by demonstrating a high fidelity single-shot qubit readout, a crucial element for quantum processors. This new circuit relies on a dynamical transition of a non-linear resonator. The coupled system formed by the qubit and the non-linear resonator allows in addition to investigate the interplay between strong coupling and non-linear effects --parametric amplification, squeezing. . . -- opening the new field of non-linear cQED. Finally we have operated a circuit which would potentially be able to mediate operations between two arbitrary qubits: a superconducting resonator which is tunable in frequency.