Controlling NMR spin systems for quantum computation

Nuclear magnetic resonance is arguably both the best available quantum technology for implementing simple quantum computing experiments and the worst technology for building large scale quantum computers that has ever been seriously put forward. After a few years of rapid growth, leading to an implementation of Shor's quantum factoring algorithm in a seven-spin system, the field started to reach its natural limits and further progress became challenging. Rather than pursuing more complex algorithms on larger systems, interest has now largely moved into developing techniques for the precise and efficient manipulation of spin states with the aim of developing methods that can be applied in other more scalable technologies and within conventional NMR. However, the user friendliness of NMR implementations means that they remain popular for proof-of-principle demonstrations of simple quantum information protocols

Quantum optimal control in quantum technologies. Strategic report on current status, visions and goals for research in Europe

Quantum optimal control, a toolbox for devising and implementing the shapes of external fields that accomplish given tasks in the operation of a quantum device in the best way possible, has evolved into one of the cornerstones for enabling quantum technologies. The last few years have seen a rapid evolution and expansion of the field. We review here recent progress in our understanding of the controllability of open quantum systems and in the development and application of quantum control techniques to quantum technologies. We also address key challenges and sketch a roadmap for future developments

Superconducting flux qubits for high-connectivity quantum annealing without lossy dielectrics

Quantum annealing can potentially be used to find better solutions to hard optimization problems faster than purely classical hardware. To take full advantage of quantum effects such as tunneling, a physical annealer should be comprised of qubits with a sufficient degree of quantum coherence. In addition, to encode useful problems, an annealer should provide a dense physical connectivity graph between qubits. Towards these goals, we develop superconducting ``fluxmon'' flux qubits suitable for high-connectivity quantum annealing without the use of performance-degrading lossy dielectrics. We carry out in-depth studies of noise and dissipation, and of qubit-qubit coupling in the strongly nonlinear regime. We perform the first frequency-resolved measurements extracting both the quantum and classical parts of the 1/f flux noise intrinsic to superconducting devices, and observe the classical-to-quantum crossover of the noise. We also identify atomic hydrogen as a magnetic dissipation source. We then implement tunable inter-qubit coupling compatible with high connectivity, and provide direct spectroscopic measurements of ultra-strong coupling between qubits. Finally, we use our system to explore quantum annealing faster than the system thermalization time, a previously unaccessed regime

Quantum optimal control in quantum technologies. Strategic report on current status, visions and goals for research in Europe

Quantum optimal control, a toolbox for devising and implementing the shapes of external fields that accomplish given tasks in the operation of a quantum device in the best way possible, has evolved into one of the cornerstones for enabling quantum technologies. The last few years have seen a rapid evolution and expansion of the field. We review here recent progress in our understanding of the controllability of open quantum systems and in the development and application of quantum control techniques to quantum technologies. We also address key challenges and sketch a roadmap for future developments.Comment: this is a living document - we welcome feedback and discussio

Conception de nouveaux couplages en circuits supraconducteurs

Les circuits supraconducteurs se sont imposés dans le domaine de l'informatique quantique. Une preuve nette de leur performance est la récente démonstration de la suprématie quantique par Google. Des processeurs quantiques à grande échelle sont déjà construits à l'heure actuelle. Toutefois, des améliorations de l'architecture supraconductrice, tant du point de vue des qubits que des portes logiques, sont toujours nécessaires. En effet, la propagation d'erreurs dans le processeur est toujours trop importante pour être enrayée, par exemple, avec des codes correcteurs. Des solutions pour réduire les erreurs sont, par conséquent, primordiales. La propagation d'erreurs dans un processeur quantique résulte ultimement du couplage entre les qubits qui est toutefois nécessaire pour réaliser des portes logiques. La réduction des erreurs dans le processeur passera donc en partie par l'optimisation de ces couplages. Dans cette thèse, je propose de nouvelles façons de coupler des modes en circuits supraconducteurs et présente trois projets réalisés pendant mon doctorat. Premièrement, afin de mieux concevoir les processeurs quantiques, il est nécessaire de pouvoir estimer avec le plus de précision possible la vitesse et la fidélité des portes logiques ainsi que l'amplitude des erreurs logiques. J'introduis une théorie de perturbation qui permet d'analyser les effets du couplage et du pilotage forts des qubits dans un processeur quantique. Cette théorie est basée à la fois sur la théorie de Floquet, la théorie de Schrödinger et la théorie des graphes. Deuxièmement, les coupleurs à deux qubits permettent de mitiger les erreurs dans les processeurs à plusieurs qubits. Cependant, la plupart des coupleurs y arrivent en ajustant de manière précise leurs paramètres de circuit et ne se concentrent généralement que sur l'élimination de certaines interactions parasitaires. J'introduis un coupleur supraconducteur à deux qubits qui soulage ces limitations en supprimant toutes les interactions entre les qubits avec un rapport marche-arrêt exponentiellement grand et qui ne nécessite pas de calibration précise. Il s'agit d'un coupleur à deux modes: un mode ``bus'' est connecté à un mode d'un résonateur non linéaire ancillaire. Le pilotage linéaire du mode ancillaire entraine un déplacement du champ dans le résonateur qui dépend de l'état propre du bus. Cela engendre une élimination exponentielle des interactions réelles et virtuelles entre les qubits avec l'amplitude du pilotage. Finalement, je propose une nouvelle interaction de type charge-flux entre deux modes dans une architecture hybride supraconductrice semi-conductrice. L'interaction devient non réciproque en présence d'un champ magnétique externe statique. J'utilise cette propriété pour concevoir un gyrateur passif