Un nœud quantique supraconducteur pour la détection quantique

Superconducting Quantum Node for Quantum Sensing

• Auteur / Autrice : Réouven Assouly
• Direction : Benjamin Huard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 06/12/2022
• Etablissement(s) : Lyon, École normale supérieure
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (Lyon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique (Lyon ; 1988-....)
• Jury : Président / Présidente : Eleni Diamanti
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Benjamin Huard, Eleni Diamanti, Christopher Eichler, Nicolas Treps, Emmanuel Flurin, Audrey Bienfait
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christopher Eichler, Nicolas Treps

Mots clés

Mots clés contrôlés

Théorie quantique de la mesure

Mots clés libres

Circuit supraconducteur

Mesure quantique

États comprimés

Radar quantique

Superconducting circuit

Quantum measurement

Squeezing

Quantum radar

Résumé

Le progrès en physique va de pair avec l'amélioration de la précision des mesures. Le principe d'incertitude d'Heisenberg met une limite sur le niveau minimal de bruit de la mesure mais les appareils de mesure classiques sont généralement incapables de s'approcher de cette limite fondamentale. Dans cette thèse, nous présentons trois expériences qui vont au-delà de la limite classique. Ces trois expériences sont réalisées en utilisant un même circuit supraconducteur appelé nœud quantique. Les premiers chapitres de cette thèse présentent le principe d'incertitude, les outils que l'électrodynamique quantique peut nous apporter pour s'approcher de cette limite ainsi que le circuit du nœud quantique lui-même. Dans la première expérience, nous montrons comment on peut résoudre l'énergie d'une unique impulsion micro-ondes jusqu'au niveau du photon sans le détruire. Nous réalisons ensuite une tomographie de l'état mesuré pour montrer le principe fondamental de la rétro-action de la mesure quantique. Dans la deuxième expérience, nous utilisons deux interactions paramétriques simultanément pour stabiliser un mode électromagnétique dans un état comprimé bien plus fortement que la limite habituelle des 3 dB. Finalement, dans la troisième expérience, nous présentons la première réalisation d'un radar quantique fonctionnant dans les fréquences micro-ondes. Malgré ses applications pratiques limitées, cette expérience est un rare exemple d'amélioration en métrologie quantique qui est robuste au bruit.

Progress in physics has gone hand in hand with improvements in measurement precision. Heisenberg's uncertainty principle puts some bounds on the minimum amount of measurement noise but classical measurement devices are generally unable to get very close to this fundamental limit. In this thesis, we showcase three different experiments that push measurements beyond the classical limit. These three experiments are performed using the same superconducting circuit called the quantum node. The first chapters of this thesis are dedicated to presenting the uncertainty principle, the tools circuit quantum electrodynamics provide us to approach this limit and the presentation of the quantum node circuit. In the first experiment, we show how one can non-destructively resolve the energy of a single microwave pulse down to the single photon. We then perform a tomography of the measured state to show the fundamental principle of quantum back-action. In the second experiment, we devise a scheme using two simultaneous parametric couplings capable of stabilizing a long-lived electromagnetic mode in a squeezed state well beyond the conventional 3 dB limit. Finally, in the third experiment, we present the first microwave realization of a quantum radar which despite its limited practical applications is a rare example of a quantum metrological improvement robust to noise.