Engineering multi-photon dissipation in superconducting circuits for quantum error correction
Réalisation d’une dissipation multi-photonique grâce aux circuitssupraconducteurs pour la correction d’erreur quantique
Résumé
Quantum systems can occupy peculiar states, such as superposition or entangled states. These states are intrinsically fragile and eventually get wiped out by inevitable interactions with the environment. Protecting quantum states against decoherence is a fundamental problem in physics and is pivotal for the future of quantum computing. In this thesis, we discuss experiments on superconducting circuits that investigate a new kind of qubit: the Schrödinger cat qubit. It belongs to the class of bosonic codes that store quantum information in the infinite dimensional Hilbert space of a microwave resonator. By carefully tailoring the dissipation of the resonator, we are able to stabilize the two basis states of the cat-qubit without affecting their superposition. In terms of errors, this translates into a reduced bit-flip rate while keeping a native phase-flip rate. This approach challenges the intuition that a qubit must be isolated from its environment. Instead, the dissipation acts as a feedback loop which continuously and autonomously corrects against errors. This enabling dissipation is known as two-photon dissipation and was engineered by the general method of parametric pumping. In our case, it is used to selectively intensify a two-to-one photon exchange interaction between the cat-qubit resonator and a dissipative resonator. To demonstrate error correction with cat-qubits, experimental efforts have been made during this thesis to cross the demanding threshold where the correction is faster than the occurrence of all errors, including those induced by the correcting mechanism itself. This has led us to question the current limitations of parametric pumping to better design our superconducting circuits. Mastering the dissipation engineering toolbox also brought us to other applications such as itinerant microwave photon detection for which an experimental proof of principle was realised during this thesis.
Les états quantiques peuvent occuper des états particuliers tels que les états de superposition ou intriqués. Ces états sont fragiles et finissent toujours par être détruits par d’inévitables interactions avec l’environnement. La protection d’états quantiques contre la décohérence est un problème fondamental en physique, mais aussi un point crucial pour l’avenir de l’informatique quantique. Dans cette thèse, nous discutons d’expériences conduites sur des circuits supraconducteurs qui cherchent à mettre en évidence un nouveau qubit : le qubit de chat de Schrödinger. Ce qubit appartient à la classe des codes bosoniques qui encodent l’information quantique dans l’espace de Hilbert de dimension infinie d’un résonateur microonde. En modelant avec soin la dissipation de ce résonateur, nous parvenons à stabiliser les états de base du qubit de chat sans affecter leurs superpositions. En terme d’erreurs, cela se traduit en un taux de bit-flip réduit sans augmenter le taux de phase-flip initial. Cette approche vient défier l’intuition selon laquelle un qubit doit être isolé de son environnement. Au lieu de cela, cette dissipation bien choisie agit comme une boucle de rétroaction qui corrige les erreurs de manière continue et autonome. Cette dissipation décisive est connue sous le nom de dissipation à deux photons et est générée grâce à la méthode du pompage paramétrique. Dans notre cas, il est utilisé pour intensifier sélectivement une interaction d’échange de photons deux-pour-un entre le résonateur du qubit de chat et un autre résonateur dissipatif. Pour démontrer la correction d’erreur avec les qubits de chats, des efforts expérimentaux ont été fournis pendant cette thèse pour franchir le seuil au delà duquel la correction est plus rapide que l’apparition de nouvelles erreurs, notamment celles induites par le mécanisme de correction lui-même. Ceci nous a conduit à questionner les limites actuelles du pompage paramétrique afin de mieux concevoir nos circuits supraconducteurs. Maitriser ces dissipations exotiques nous a aussi amené à d’autres applications telles que la détection de photon microondes itinérants pour laquelle une preuve de principe expérimentale a été réalisée au cours de cette thèse.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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