Photons micro-ondes, mesure et informatique quantique

Les circuits supraconducteurs constituent aujourd’hui une architecture prometteuse vers la réalisation d’un ordinateur quantique universel. Cependant, avant qu’un tel ordinateur voie le jour, plusieurs défis doivent être surmontés autant au niveau matériel que logiciel. Les circuits supraconducteurs forment aussi une architecture intéressante pour la réalisation d’expériences fondamentales en optique quantique grâce aux jonctions Josephson qui permettent aux photons micro-ondes d’interagir directement entre eux. Dans cette thèse, j’ai abordé certains des grands défis du domaine des circuits supraconducteurs dans le contexte de l’informatique quantique et de l’optique quantique micro-onde. Je me suis tout d’abord intéressé à la détection de photons micro-ondes uniques (chapitre 3). Avec mes collaborateurs, nous avons ainsi proposé deux méthodes pour réaliser un détecteur de photons uniques à grande efficacité quantique. Une de ces méthodes se base sur un ensemble de qubits supraconducteurs (section 3.2), tandis que l’autre promet une large bande de détection en se basant sur un métamatériau unidimensionnel (section 3.3). La réalisation expérimentale de ces propositions permettrait d’ajouter une pièce importante dans la boîte à outils de l’optique quantique micro-onde. Je me suis ensuite penché sur la correction d’erreurs dans les qubits supraconducteurs (section 4). Plus précisément, j’ai développé un circuit expérimentalement compact permettant de mesurer les propriétés d’un ensemble de qubits, une opération essentielle pour les techniques de correction d’erreurs quantiques. Finalement, j’ai consacré une partie de mon doctorat à modéliser des expériences effectuées dans le groupe d’Andreas Wallraff à l’ETH Zürich (chapitre 5). Nous avons ainsi réalisé trois expériences basées sur un couplage variable de type Raman entre un qubit supraconducteur et un résonateur micro-onde. Dans la première expérience, nous avons réalisé le premier transfert d’état quantique déterministe entre deux qubits supraconducteurs distants (section 5.2). Nous avons ensuite amélioré cette expérience en utilisant un code de détection d’erreur pour transférer l’information quantique de manière plus robuste entre les deux qubits (section 5.3). Ces expériences représentent une étape importante vers la réalisation d’une architecture modulaire de l’ordinateur quantique. Finalement, nous avons développé une méthode pour rapidement initialiser des qubits supraconducteurs dans leur état fondamental (section 5.4), une opération essentielle de l’ordinateur quantique

Quantum metrology with nonclassical states of atomic ensembles

Quantum technologies exploit entanglement to revolutionize computing, measurements, and communications. This has stimulated the research in different areas of physics to engineer and manipulate fragile many-particle entangled states. Progress has been particularly rapid for atoms. Thanks to the large and tunable nonlinearities and the well developed techniques for trapping, controlling and counting, many groundbreaking experiments have demonstrated the generation of entangled states of trapped ions, cold and ultracold gases of neutral atoms. Moreover, atoms can couple strongly to external forces and light fields, which makes them ideal for ultra-precise sensing and time keeping. All these factors call for generating non-classical atomic states designed for phase estimation in atomic clocks and atom interferometers, exploiting many-body entanglement to increase the sensitivity of precision measurements. The goal of this article is to review and illustrate the theory and the experiments with atomic ensembles that have demonstrated many-particle entanglement and quantum-enhanced metrology.Comment: 76 pages, 40 figures, 1 table, 603 references. Some figures bitmapped at 300 dpi to reduce file siz

Resources Needed for Entangling Two Qubits through an Intermediate Mesoscopic System

One of the main challenges in designing large scale quantum processors is connecting separated qubits. In this thesis, we explore new opportunities that mesoscopic many-body systems provide for creating quantum correlation between isolated quantum systems. In particular, we study entangling two non-interacting qubits through an intermediate mesoscopic system consisting of identical two-level systems. Two uncoupled qubits can be entangled either by projectively measuring a joint property of them or by creating an indirect interaction between them. The focus of this thesis is on procedures that are based on joint measurement on the qubits. We propose a new method for entangling two non-interacting qubits by measuring their parity indirectly through an intermediate mesoscopic system. Indirect joint measurement scheme benefits from coherent magnification of the target qubits’ state in the collective state of the mesoscopic system; such that a low-resolution measurement on the mesoscopic system suffices to prepare post-selected entanglement on the target qubits. The protocol is designed to require only global control and course-grained collective measurement of the mesoscopic system along with local interactions between the target qubits and mesoscopic system. A generalization of the method measures the hamming weight of the qubits’ state and probabilistically produces an entangled state by post-selecting on hamming weight one. Our technique provides a new design element that can be integrated into quantum processor architectures and quantum measurement devices. We quantify the resources required for implementing the indirect joint measurement technique when the intermediate mesoscopic system consists of spin-1/2 particles with internal dipolar coupling. A mesoscopic spin system consisting of two non-interacting halves, each coupled to one of the target qubits is proved to provide a helpful geometry that allows implementing the coherent magnification process with experimentally available control tools. We show that the requirements on the amplified state of the target qubits and the mesoscopic spin system perfectly maps to the specifications of micro-macro entanglement between each target qubit and its nearby half of the mesoscopic spin system. In the light of this equivalence, the effects of experimental imperfections are explored; in particular, bipartite entanglement between the target qubits is shown to be robust to imperfect preparation of the mesoscopic spin system. Our analysis provides a new approach for using an intermediate spin system for connecting separated qubits. It also opens a new path in exploring entanglement between microscopic and mesoscopic spin systems