Énergie et information dans la fluorescence de circuits supraconducteurs

Energy and information in fluorescence with superconducting circuits

• Auteur / Autrice : Nathanaël Cottet
• Direction : Benjamin Huard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 20/11/2018
• 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 : Établissement de préparation de la thèse : École normale supérieure (Paris ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Michel Raimond
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Benjamin Huard, Jean-Michel Raimond, Ioan Mihai Pop, Jukka Pekola, Anaïs Dréau, Robert Whitney
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Ioan Mihai Pop, Jukka Pekola

Mots clés

Mots clés contrôlés

Physique

Mots clés libres

Mécanique quantique

Thermodynamique

Circuits supraconducteurs

Quantum physics

Thermodynamics

Superconducting circuits

Résumé

Cette thèse expérimentale explore les aspects énergétiques et informationnels de la fluorescence émise par des circuits supraconducteurs. Un bit quantique échange des quanta d’énergie avec une onde résonante lors de cycles d’émission et d’absorption. Nous avons développé un système de mesure basé sur l’amplification bas bruit et la détection linéaire de la lumière micro-onde pour mesurer l’énergie et l’amplitude complexe du champ de fluorescence et réalisé trois expériences basées sur la mesure de fluorescence. Premièrement nous avons réalisé et démontré le transfert d’énergie entre deux impulsions lumineuses résonantes. Grâce aux propriétés de l’émission stimulée, la direction et l’amplitude du transfert d’énergie sont contrôlées par la phase d’une superposition d’états quantiques. Deuxièmement, nous avons utilisé l’information contenue dans la fluorescence pour réaliser un nouveau type de lecture d’un circuit supraconducteur sans l’aide d’un système quantique auxiliaire. Le circuit, directement couplé à l’environnement, encode l’information quantique dans un sous-espace bien isolé et est lu grâce à la fluorescence d’une transition fortement couplée. Enfin, nous avons exploré le lien entre information et énergie dans le régime quantique en réalisant un démon de Maxwell autonome. Le démon est une cavité mesurant le système, un qubit supraconducteur. Le travail est extrait sous la forme d’un photon stimulé émis par le qubit et est directement mesurée par notre système de mesure de fluorescence. Il est relié aux variations de l’énergie interne du qubit. Le transfert d’information du système vers le démon est quantifié par des mesures indépendantes. En particulier nous avons démontré la présence de signatures quantique du démon quand le système est initialisé dans une superposition d’états quantiques.

This experimental thesis explores energetic and informational aspects of the fluorescence emitted by superconducting circuits. A quantum bit interacting with a resonant drive exchanges quanta of energy during absorption and emission cycles. Using low- noise amplification and linear detection of microwave light, we have developed a measurement setup to record the energy and complex amplitude of the fluorescence field and realized three experiments based on the record of fluorescence. First, we have realized and demonstrated a transfer of energy between two resonant drives. Owing to the properties of stimulated emission, the direction and magnitude of energy transfer can be controlled by the phase of a quantum superposition of qubit states. Second, we have used the information contained in fluorescence to implement a new readout scheme for superconducting circuits without the help of any ancillary quantum system. The circuit, directly coupled to the environment, encodes quantum information in a well-protected subspace and is read using the fluorescence of a strongly coupled transition. Finally, we have explored the interplay between information and energy in the quantum regime by realizing an autonomous Maxwell's demon. The demon is a cavity measuring the system, a superconducting qubit. Work is extracted in the form of a stimulated photon emitted by the qubit and is directly measured using our fluorescence measurement setup. It is linked with the variations of the system's internal energy. Using independent measurements, the transfer of information from the system to the demon is quantified. In particular, we demonstrated the quantum signatures of the demon when the system is initialized in a quantum superposition.