Interaction lumière-matière dans le régime à N-corps des circuits quantiques supraconducteurs

Probing light-matter interaction in the many-body regime of superconducting quantum circuits

• Auteur / Autrice : Javier Puertas
• Direction : Olivier Buisson
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanophysique
• Date : Soutenance le 29/06/2018
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Néel (Grenoble, Isère, France ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Denis Basko
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pol Forn-Diaz, Julien Renard, Nicolas Roch
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gary Steele, Fabien Portier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Problème à N corps

Squids

Mots clés libres

Supraconductivité

Bit quantique

Problème a N-Corps

Superconductivity

Quantum bit

Many-Body physics

Résumé

Comprendre l'interaction lumière-matière est toujours un sujet d'actualité malgré des décennies de recherche intense. Grâce au large couplage lumière-matière présent dans les circuits quantiques supraconducteurs, il est maintenant possible d'effectuer des expériences où la dynamique d'environnements contenant beaucoup de degrés de liberté, devient pertinente. Ainsi, relier la physique à N-corps, généralement réservée à la matières condensée, et l’optique quantique est à portée de main.Dans ce travail, nous présentons un système totalement accordable in-situ pour étudier l'interaction lumière-matière à N-corps (N grand) dans différents régimes de couplage. Le circuit est constitué d'un bit quantique de type transmon (“la matière”) couplé capacitivement à une chaîne de 4700 jonctions Josephson en géométrie squid. Cette chaîne supporte de nombreux modes électromagnétiques ou modes plasma (“la lumière”). Grâce à la grande inductance cinétique des jonctions Josephson, la chaîne présente une impédance caractéristique élevée ce qui augmente significativement le couplage qubit-modes. Les squids dans le transmon et dans la chaîne nous permettent de modifier la force de ce couplage en appliquant un flux magnétique.Avec ce sytème, nous avons les trois ingrédients requis pour explorer la physique à N-corps: un environnement avec une grande densité de modes électromagnétiques, un couplage lumière-matière ultra-fort, et une non linéarité comparable aux autres échelles d'énergie pertinentes. De plus, nous présentons un traitement de l'effet des fluctuations du vide de ce large nombre de degrées de liberté. Ce qui nous permet d'obtenir un modèle quantitatif et sans paramètre libre de ce système complexe. Finalement, à partir du décalage de phase induit par le transmon sur les modes de la chaîne, le transmon phase shift, nous quantifions l’hybridation du qubit transmon avec plusieurs modes de la chaîne (jusqu'à 10 modes) et obtenons la fréquence de résonance du transmon, ainsi que sa largeur, confirmant que nous sommes dans le régime de couplage ultra-fort.Ce travail démontre que les circuits quantiques sont un outil puissant pour explorer l'optique quantique à N-corps de manière totalement contrôlée. Combiner des métamatériaux supraconducteurs et des qubits devrait permettre de mettre en évidence des effets à N-corps qualitatifs, comme le décalage de Lamb géant, d’observer des états non-classiques de la lumière ou la production de particules ou encore de simuler des problèmes d’impuretés quantiques (par exemple le modèle de Kondo ou celui de Sine-Gordon) et des transitions de phase quantiques dissipatives.

Understanding the way light and matter interact remains a central topic in modern physics despite decades of intensive research. Owing to the large light-matter interaction in superconducting circuits, it is now realistic to think about experiments where the dynamics of environments containing many degrees of freedom becomes relevant. It suggests that bridging many-body physics, usually devoted to condensed matter, and quantum optics is within reach.In this work we present a fully tunable system for studying light-matter interaction with many bodies at different coupling regimes. The circuit consists of a transmon qubit (“the matter”) capacitively coupled to an array of 4700 Josephson junctions in a squid geometry, sustaining many electromagnetic or plasma modes (“the light”). Thanks to the large kinetic inductance of Josephson junctions, the array shows a high characteristic impedance that enhances the qubit-modes coupling. The squids in the transmon and in the array allow us to tune the strength of this coupling via an external magnetic flux.We observe the three required ingredients to explore many-body physics: an environment with a high density of electromagnetic modes, the ultra-strong light-matter coupling regime and a non-linearity comparable to the other relevant energy scales. Moreover, we present a method to treat the effect of the vacuum fluctuations of all these degrees of freedom. Thus we provide a quantitative and parameter-free model of this large quantum system. Finally, from the phase shift induced by the transmon on the modes of the array, the transmon phase shift, we quantify the hybridization of the transmon qubit with several modes in the array (up to 10) and obtain the transmon resonance frequency and its width, demonstrating that we are in the ultra-strong coupling regime.This work demonstrates that quantum circuits are a very powerful platform to explore many-body quantum optics in a fully controlled way. Combining superconducting metamaterials and qubits could allow us to observe qualitative many-body effects such as giant lambshift, non-classical states of light and particle productions or to simulate quantum impurity problems (such as the Kondo model or the sine-Gordon model) and dissipative quantum phase transitions.