Vers le calcul quantique tolérant à l’erreur adapté aux expériences en circuit QED

Autonomous quantum error correction with superconducting qubits

• Auteur / Autrice : Joachim Cohen
• Direction : Mazyar Mirrahimi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique quantique
• Date : Soutenance le 03/02/2017
• Etablissement(s) : Paris Sciences et Lettres (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Pierre Aigrain (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation de la thèse : École normale supérieure (Paris ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : Daniel Estève
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mazyar Mirrahimi, Daniel Estève, Lars-Göran Johansson, Cristiano Ciuti, Max Hofheinz
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alexandre Blais, Lars-Göran Johansson

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électrodynamique quantique

Mots clés libres

Circuit QED

Correction d'erreur quantique

Autonomous feedback

Information quantique

Circuits supraconducteurs

Reservoir engineering

Mesure non-destructrice de syndromes d’erreurs,

Calcul quantique tolérant à l’erreur

Circuit QED

Quantum error correction

Autonomous feedback

Quantum information

Supraconducting circuits

Reservoir engineering

Quantum non-demolition measurement of error syndromes

Faulttolerant quantum computation

Résumé

Dans cette thèse, nous développons plusieurs outils pour la Correction d’Erreur Quantique (CEQ) autonome avec les qubits supraconducteurs.Nous proposons un schéma de CEQ autonome qui repose sur la technique du « reservoir engineering », dans lequel trois qubits de type transmon sont couplés à un ou plusieurs modes dissipatifs. Grâce à la mise au point d’une interaction effective entre les systèmes, l’entropie créée par les éventuelles erreurs est évacuée à travers les modes dissipatifs.La deuxième partie de ce travail porte sur un type de code récemment développé, le code des chats, à travers lequel l’information logique est encodée dans le vaste espace de Hilbert d’un oscillateur harmonique. Nous proposons un protocole pour réaliser des mesures continues et non-perturbatrices de la parité du nombre de photons dans une cavité micro-onde, ce qui correspond au syndrome d’erreur pour le code des chats. Enfin, en utilisant les résultats précédents, nous présentons plusieurs protocoles de CEQ continus et/ou autonomes basés sur le code des chats. Ces protocoles offrent une protection robuste contre les canaux d’erreur dominants en présence de dissipation stimulée à plusieurs photons.

In this thesis, we develop several tools in the direction of autonomous Quantum Error Correction (QEC) with superconducting qubits. We design an autonomous QEC scheme based on quantum reservoir engineering, in which transmon qubits are coupled to lossy modes. Through an engineered interaction between these systems, the entropy created by eventual errors is evacuated via the dissipative modes.The second part of this work focus on the recently developed cat codes, through which the logical information is encoded in the large Hilbert space of a harmonic oscillator. We propose a scheme to perform continuous and quantum non-demolition measurements of photon-number parity in a microwave cavity, which corresponds to the error syndrome in the cat code. In our design, we exploit the strongly nonlinear Hamiltonian of a highimpedance Josephson circuit, coupling ahigh-Q cavity storage cavity mode to a low-Q readout one. Last, as a follow up of the above results, we present several continuous and/or autonomous QEC schemes using the cat code. These schemes provide a robust protection against dominant error channels in the presence of multi-photon driven dissipation.