Photon counting with a multiplexed dispersive readout

Compteur de photon basé sur une mesure dispersive multiplexée

• Auteur / Autrice : Antoine Essig
• Direction : Benjamin Huard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 14/12/2021
• 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 : Ségolène Callard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Benjamin Huard, Ségolène Callard, Shay Hacohen-Gourgy, Howard M. Wiseman, Michel Devoret
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Shay Hacohen-Gourgy, Howard M. Wiseman

Mots clés

Mots clés contrôlés

Multiplexage

Théorie quantique

Mots clés libres

Photocomptage

Circuit supraconducteur

Mécanique quantique

Multiplexage

Photocounting

Superconducting circuit

Quantum mechanics

Multiplexing

Résumé

Lorsque l’on utilise un bit quantique (qubit) pour sonder l’état d’un système, la stratégie habituelle consiste à poser une série de questions binaires, chaque question améliorant notre connaissance de l’état du système. Cependant, cette stratégie nécessite de longs temps de mesure lorsque l’on considère un grand système, comme par exemple un résonateur électromagnétique peuplé d’un grand nombre de photons, car chaque question ne peut extraire qu’un bit d’information. Dans cette thèse, nous proposons une nouvelle stratégie qui permet d’obtenir un temps de mesure indépendant de la taille du système. Cette nouvelle approche est basée sur l’utilisation d’un qubit comme routeur, ce qui permet d’encoder l’information sur l’état du système dans les nombreux modes d’une ligne de transmission.Dans le cas d’un détecteur idéal, nous montrons à l’aide d’une expérience de pensée que cette stratégie permet de mesurer le nombre de photons contenu dans une cavité en un temps constant, indépendant de la taille du système. Pour démontrer la faisabilité de cette mesure idéale, nous appliquons cette stratégie à la mesure du nombre de photons contenu dans un résonateur micro-onde couplé dispersivement à un qubit supraconducteur. Dans un premier temps, la fluorescence du qubit est mesurée lorsque ce dernier est sondé à l’aide d’un ton micro-onde monochromatique. L’action en retour de cette mesure dispersive est étudiée, nous démontrons à travers la post-sélection que la fluorescence du qubit encode effectivement le nombre de photons contenu dans le résonateur. Nous mesurons le taux de déphasage induit par la mesure entre deux états de Fock du résonateur et le comparons à un modèle théorique. Ce dernier nous permet alors d’étudier le comportement non-linéaire du taux de déphasage induit par la mesure avec l’amplitude du ton micro-onde.Dans un deuxième temps, la fluorescence du qubit est sondée à l’aide d’un peigne de fréquence. Des mesures hétérodynes multiplexées à tous les tons du peigne de fréquence nous permettent alors de mesurer le nombre de photons contenus dans le résonateur. Cette mesure multiplexée est rendue possible grâce aux récentes améliorations sur la bande passante des amplificateurs limités quantiquement. Le temps de vie du résonateur et une efficacité de mesure limités nous empêchent d'atteindre un rapport signal sur bruit permettant de décoder toute l'information contenue dans notre mesure hétérodyne multiplexée. Cependant, contrairement à une mesure séquentielle, notre approche fournit en parallèle une information partielle sur la population de chaque état de Fock. L’action en retour de cette mesure dispersive multiplexée est étudiée à l’aide de tomographies de Wigner du résonateur. Nous sommes ainsi capables de mesurer le taux de déphasage induit pas la mesure multiplexée et mettons en évidence une amplitude optimale du peigne de fréquence qui maximise le taux de déphasage. Un modèle théorique basé sur l’approximation que le peigne de fréquence est infini nous permet de prédire l’amplitude optimale du peigne, et ce en accord avec l’expérience.

When a two-level system – a qubit – is used to probe a larger system, it naturally leads to answering a single yes-no question about the system state. Identifying what is the state of a system thus comes down to ask a series of binary questions iteratively to refine our knowledge. However, this approach leads to long measurement times for large systems, such as a resonator containing a large number of photons. In this thesis, we propose a new approach which enables us to make a measurement in a time, which is independent of the system size. This new measurement uses the qubit as an encoder of information about the system state into the many propagating modes of a transmission line. Assuming an ideal detector, we show that photon counting can then be implemented in a fixed time whatever the number of photons. We demonstrate the practicality of this approach by counting the number of photons in a microwave resonator coupled dispersively to a single superconducting qubit. We observe the qubit fluorescence dependence on the resonator photon number when the qubit is driven by a microwave monochromatic tone. Using the backaction of this dispersive measurement and post-selection, we evidence the photon counting ability of the measurement. The dephasing rate between two Fock states induced by the photon number measurement is measured and compared to theory. The latter allows us the study the non-linear dependence of the dephasing rate on the microwave drive amplitude.In a second time, the qubit fluorescence is probed using a frequency comb. Multiplexed heterodyne detections are simultaneously performed at each comb frequency and allow us to measure the photon number in the microwave resonator. This multiplexed measurement benefits from the recent bandwidth improvements of near quantum limited amplifiers. The limited cavity lifetime and detector efficiency prevented us from reaching single shot readout of the photon number in this proof-of-principle experiment. However, unlike in sequential measurement schemes, a single run of our experiment does provide, in parallel, partial information about the occupancy of each Fock state. Besides, we manage to observe the multiplexed measurement backaction on the resonator using direct Wigner tomography, which allowed us to measure the decoherence rate of the resonator induced by the measurement. We evidence an optimal qubit drive amplitude for information extraction, which matches the expected dynamics of a qubit under a multifrequency drive.