Effet de l’Environnement sur les Qubits Fluxonium et Thermodynamique des Mesures Quantiques

Effect of the Environment on Fluxonium Qubits and Thermodynamics of Quantum Measurement

• Auteur / Autrice : Jeremy Stevens
• Direction : Benjamin Huard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 27/09/2021
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (Lyon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École normale supérieure de Lyon (2010-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique (Lyon ; 1988-....)
• Jury : Président / Présidente : Pascal Degiovanni
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Benjamin Huard, Pascal Degiovanni, Alexandre Blais, Ioan Mihai Pop, Audrey Bienfait, Igor Dotsenko, Géraldine Haack
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alexandre Blais, Ioan Mihai Pop

Mots clés

Mots clés contrôlés

Thermodynamique

Informatique quantique

Micro-ondes

Théorie quantique

Mots clés libres

Mécanique quantique

Microondes

Qubits supraconducteurs

Décohérence

Ordinateur quantique

Thermodynamique

Quantum mechanics

Microwaves

Superconducting qubits

Decoherence

Quantum computing

Thermodynamics

Résumé

Les qubits supraconducteurs sont au cœur de nombreuses expériences de mécanique quantique élémentaire et sont l’un des prétendants principaux pour le futur ordinateur quantique. Dans les deux cas, un haut niveau de contrôle, à la fois sur le qubit et son environnement, est essentiel. Les premiers chapitres de cette thèse décrivent plusieurs méthodes qui peuvent servir à concevoir l’effet de l’environnement sur les circuits supraconducteurs, et en particulier sur le très prometteur qubit Fluxonium. Nous détaillons la théorie des qubits protégés et traitons la conception des appareils quantiques, ainsi que le câblage des réfrigérateurs à dilution avec l’objectif de réduire le bruit de l’environnement. En utilisant ces méthodes, nous créons des conditions permettant des expériences pour étudier l’effet de l’environnement sur le qubit Fluxonium. Nous montrons que les photons présents dans la cavité utilisée pour mesurer le qubit, ainsi qu’un réfrigérateur à dilution avec une température trop élevée, peuvent avoir des effets néfastes sur la stabilité de l’état quantique. Cette expérience met également en lumière les problèmes qui restent à résoudre concernant la lecture dispersive des Fluxoniums avant de les utiliser comme élément de base dans un ordinateur quantique.La décohérence quantique d’un qubit peut être décrite par les nombreuses interactions cohérentes avec l’environnement au sujet desquelles l’observatrice n’a aucune information. Dans la dernière partie de la thèse, nous présentons des résultats permettant de mieux comprendre la thermodynamique des mesures et des opérations quantiques, en observant l’échange cohérent d’énergie entre un champ propageant et un qubit que l’on mesure. Nous interprétons la préparation de l’état du qubit par un pulse cohérent comme une mesure faible du pulse par le qubit.

Superconducting qubits are at the heart of many experiments exploring elementary quantum mechanics and are one of the principal candidates for use in a future quantum computer. In both cases, a high level of control over both the quantum system and its environment is necessary. The first chapters of this thesis describe several techniques used to engineer the effect of the environment in circuit QED with a focus on the promising Fluxonium qubit. We give a detailed treatment of the theoretical basis for protected qubits and analyse device design and dilution refrigerator wiring from the perspective of environment noise reduction. As an application of these methods, we reproduce state of the art conditions for Fluxonium experiments in order to study the effect of the environment on the qubit. We show how photons in the cavity used to measure the quantum bit and a high temperature of the dilution refrigerator in which the device is placed can have detrimental effects on the stability of the quantum state. Critically, this shows that there remain several problems still to solve regarding the dispersive readout of Fluxoniums before using them as the basis for a quantum computer.Theoretically, the decoherence of a qubit can be broken down into many coherent exchanges with the qubit environment about which the observer has no information. In the last part of the thesis, we show the results of an experiment providing insight into the thermodynamics of quantum measurement and operations by observing the coherent energy exchange between a propagating field and a qubit under measurement. We provide an interpretation of the preparation of a qubit state by a coherent light pulse as a weak measurement of the pulse by the qubit.