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Thèse Année : 2018

Quantum trajectories with incompatible decoherence channels

Trajectoires quantiques avec canaux de décohérence incompatibles

Quentin Ficheux

Résumé

In contrast with its classical version, a quantum measurement necessarily disturbs the state of the system. The projective measurement of a spin-1/2 in one direction maximally randomizes the outcome of a following measurement along a perpendicular direction. In this thesis, we discuss experiments on superconducting circuits that allow us to investigate this measurement back-action. In particular, we measure the dynamics of a superconducting qubit whose three Bloch x, y and z components are simultaneously recorded. Two recent techniques are used to make these simultaneous recordings. The x and y components are obtained by measuring the two quadratures of the fluorescence field emitted by the qubit. Conversely, the z component is accessed by probing an off-resonant cavity dispersively coupled to the qubit. The frequency of the cavity depends on the energy of the qubit and the strength of this last measurement can be tuned from weak to strong in situ by varying the power of the probe. These observations are enabled by recent advances in ultra-low noise microwave amplification using Josephson circuits. This thesis details all these techniques, both theoretically and experimentally, and presents various unpublished additional results. In the presence of the simultaneous measurements, we show that the state of the system diffuses inside the sphere of Bloch by following a random walk whose steps obey the laws of the back-action of incompatible measurements. The associated quantum trajectories follow a variety of dynamics ranging from diffusion to Zeno blockade. Their peculiar dynamics highlights the non-trivial interplay between the back-action of the two incompatible measurements. By conditioning the records to the outcome of a final projective measurement, we also measure the weak values of the components of the qubit state and demonstrate that they exceed the mean extremal values. The thesis discusses in detail the statistics of the obtained trajectories.
Au contraire de sa version classique, une mesure quantique perturbe nécessairement l’état du système. Ainsi, la mesure projective d’un spin-1/2 selon une direction rend parfaitement aléatoire le résultat d’une mesure successive de la composante du même spin le long d’un axe orthogonal. Dans cette thèse, nous discutons des expériences basées sur les circuits supraconducteurs qui permettent de mettre en évidence cette action en retour de la mesure. Nous mesurons en particulier la dynamique d’un qubit supraconducteur dont on révèle simultanément les trois composantes de Bloch x, y et z. Deux techniques récentes sont utilisées pour réaliser ces enregistrements simultanés. Les composantes x et y sont obtenues par la mesure des deux quadratures du champ de fluorescence émis par le qubit. La composante z est quant à elle obtenue en sondant une cavité non résonante couplée de manière dispersive au qubit. La fréquence de la cavité dépend de l’énergie du qubit et la force de cette dernière mesure peut être ajustée in situ en faisant varier la puissance de la sonde. Ces observations sont rendues possibles grâce aux avancées récentes dans l’amplification ultrabas bruit des signaux micro-onde grâce aux circuits Josephson. Cette thèse détaille toutes ces techniques à la fois théoriquement et expérimentalement et présente différents résultats annexes inédits. En présence des mesures simultanées, nous montrons que l’état du système diffuse à l’intérieur de la sphère de Bloch en suivant une marche aléatoire dont les pas obéissent aux lois de l’action en retour de mesures incompatibles. Les trajectoires quantiques associées ont des dynamiques allant du régime diffusif au régime de blocage de Zénon soulignant l’interaction non-triviale des actions en retours des deux mesures incompatibles effectuées. En conditionnant les enregistrements aux résultats d’une mesure projective finale, nous mesurons également les valeurs faibles des composantes de notre qubit et démontrons qu’elles dépassent les valeurs extrémales moyennes. La thèse discute en détail de la statistique des trajectoires obtenues.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03406048 , version 1 (27-10-2021)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03406048 , version 1

Citer

Quentin Ficheux. Quantum trajectories with incompatible decoherence channels. Physics [physics]. Université Paris sciences et lettres, 2018. English. ⟨NNT : 2018PSLEE088⟩. ⟨tel-03406048⟩
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