Temps de bit-flip macroscopiques dans un oscillateur pourvu de la dissipation à deux photons

Macroscopic bit-flip times in two-photon dissipative oscillator

• Auteur / Autrice : Camille Berdou
• Direction : Zaki Leghtas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématique et automatique
• Date : Soutenance le 14/03/2023
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre automatique et systèmes (Fontainebleau, Seine et Marne)
• Jury : Président / Présidente : Per Delsing
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Zaki Leghtas, Anja Metelmann, Patrice Bertet, Jérôme Estève
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Anja Metelmann, Patrice Bertet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Josephson, Jonctions

Oscillateurs paramétriques optiques

Photons

Bits quantiques

Circuits électroniques -- Calcul -- Logiciels

Mots clés libres

Correction d'erreur quantique

Jonction Josephson

Circuits supraconducteurs

Quantum Error Correction

Josephson junction

Superconducting circuits

Résumé

Les bits quantiques, plus communément appelés ''qubits'', subissent encore trop d'erreurs dans leurs implémentations actuelles pour pouvoir être assemblés en processeur quantique pertinent. Une stratégie originale pour contrer les flips de bits consiste à encoder l'information quantique dans deux états stables d'un oscillateur qui échange des photons par paires avec son environnement. Ce mécanisme de dissipation non-linéaire est à la base d’un nouveau qubit : le qubit de chat, implémenté au sein du champ d’une cavité résonante réalisée dans un circuit supraconducteur. Ajouter des photons dans les états de la cavité accentue la séparation inter-états, ce qui permet en principe d'atteindre des temps de bit-flips macroscopiques même pour un faible nombre de photons dans la cavité. Pourtant, les réalisations expérimentales précédant cette thèse saturaient à des temps de l’ordre de la milliseconde.Le but principal de cette thèse est de maximiser le temps de bit-flip atteignable dans un oscillateur pourvu de la dissipation à deux photons. A partir des réalisations expérimentales pré-existantes, la démarche a été de retirer du prototype tout ce qui n’était pas essentiel au processus de stabilisation à deux photons et de se placer dans un régime de paramètres expérimentaux conservateur. Toutefois, ces choix ont abouti à un taux de dissipation à un photon supérieur au taux de dissipation à deux photons, rendant caduques la préparation de superposition d’états quantiques dans la cavité, et donc aussi la mesure de temps de phase-flips.Le résultat central de cette thèse est la démonstration expérimentale d’un temps de bit-flip de 100 secondes pour des états dans un oscillateur à dissipation à deux photons, contenant environ 40 photons. Ce travail constitue un point de référence pour les futures implémentations qui pourront revenir dans un régime pour exploiter pleinement la nature quantique de l’oscillateur à deux photons. Les performances démontrées dans cette thèse permettent ainsi d’envisager une réalisation concrète de la feuille de route menant à un ordinateur quantique universel à base de qubits de chats.

Current implementations of quantum bits, also commonly called qubits, continue to undergo too many errors to be scaled into useful quantum machines. An emerging strategy is to encode quantum information in the two meta-stable pointer states of an oscillator exchanging pairs of photons with its environment, a mechanism shown to provide stability without inducing decoherence. This strategy is at the core of a recent qubit, called the cat-qubit, which is embedded in the cavity field of a superconducting resonator with tailored interaction with its environment. Adding photons in these states increases their separation, and macroscopic bit-flip times are expected even for a handful of photons, a range suitable for quantum information processing. However, the bit-flip time demonstrated in previous experimental realizations have saturated in the millisecond range.The primary goal of this thesis work is to maximize the bit-flip time in a two-photon dissipative oscillator. To that end, we strip the prototype circuit of everything we can afford, select a parameters regime to avoid dynamical instabilities, and notice how much the bit-flip time can be increased. These choices come at the cost of a two-photon exchange rate dominated by single-photon loss, hence losing our ability to prepare quantum superposition states and measuring the phase-flip rate.The main result of this thesis is the experimental demonstration of bit-flip times exceeding 100 seconds for computational states pinned by two-photon dissipation and containing about 40 photons. This thesis work is a solid foundation for future experiments that can gradually enter the regime suitable to implement a qubit where two-photon loss is the dominant dissipation mechanism. This experimental work supports the strategy of eradicating bit-flip errors continuously and autonomously at the single qubit level, and reserving the costly arsenal of measurement based quantum error correction to address the only significant remaining error: phase-flips. This work paves the way for cat-qubit based universal set of gates and phase-flip error correction, in line with the roadmap for a universal quantum computer.