Quantum Error Correction using cat qubits - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

Quantum Error Correction using cat qubits

Correction d’erreurs quantiques avec des qubits de chats

Antoine Marquet
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1368921
  • IdRef : 27514304X

Résumé

Over the past two decades, superconducting circuits have emerged as a promising platform for building a quantum computer. However, they remain limited by their coherence time which is still insufficient to demonstrate a practical quantum advantage.Quantum error correction (QEC) offers an approach to counter these errors. Its fundamental principle consists of introducing redundancy to define a so-called logical qubit. Thus, if an isolated physical qubit suffers an error, it can be detected and corrected without affecting the information stored within the logical qubit. One of the most intuitive approaches, and one that comes closest to conventional error correction, is to use an array of physical qubits to achieve the desired redundancy.This thesis explores an alternative approach, based on encoding quantum information in superconducting cavities, where the redundancy is provided by the infinite dimension of the Hilbert space. Specifically, we use cat qubits for which the logical 0 and 1 states are coherent states of a harmonic oscillator. These states are stabilized by leveraging dissipation to our advantage so that photon exchanges between the harmonic mode and its environment predominantly occur in pairs. In this way, "bit-flip" errors are exponentially suppressed as a function of the number of photons contained by the mode, at the modest cost of a linear increase in "phase-flip" errors. These errors could then be corrected by an additional layer of correction, such as a repetition code of cat qubits. At the heart of this thesis work is the introduction of a self-parametric superconducting circuit that non-linearly couples a mode containing the cat qubit to a dissipative mode whose frequency is set to twice that of the cat mode. Unlike previous implementations, this passive coupling does not require a parametric pump and achieves a high two-photon dissipation rate of around 2MHz. Bit-flip errors are then avoided for a characteristic period of up to 0.3 s, with a moderate impact on phase-flip errors. In addition, we demonstrate universal control of this qubit using the two-photon dissipation to implement X, Y, and Z logic gates of arbitrary angles.
Au cours des deux dernières décennies, les circuits supraconducteurs se sont imposés comme une plateforme prometteuse pour la construction d’un ordinateur quantique. Cependant, ils demeurent limités par leur temps de cohérence qui reste insuffisant pour démontrer un avantage quantique pratique. La correction d'erreur quantique offre une approche pour contrer la décohérence, le principe fondamental étant d'introduire de la redondance afin de définir un qubit dit logique. Ainsi, si un qubit physique isolé subit une erreur, celle-ci peut être détectée et corrigée sans affecter l'information contenue dans le qubit logique. L'une des approches les plus intuitives, se rapprochant le plus de la correction d'erreur classique, consiste à utiliser une multitude de qubits physiques pour réaliser la redondance recherchée.Cette thèse explore une approche alternative, basée sur l'encodage de l'information quantique dans des cavités supraconductrices, la redondance étant alors simplement fournie par la dimension infinie de l'espace de Hilbert. Nous utilisons des qubits de chat pour lesquels les états logiques 0 et 1 sont des états cohérents d'un oscillateur harmonique. Ces états sont stabilisés en utilisant la dissipation à notre avantage, de sorte que les échanges de photons entre le mode harmonique et son environnement se fassent principalement par paires. Ainsi, les erreurs de type « bit-flip » sont supprimées exponentiellement avec le nombre de photons contenus dans le mode, au prix d'une augmentation linéaire des erreurs de type « phase-flip ». Ces erreurs pourraient alors être corrigées par une couche supplémentaire de correction, tel qu'un code de répétition de qubits de chats. Le coeur de ce travail de thèse consiste à introduire un circuit supraconducteur autoparamétrique qui couple de manière non-linéaire un mode contenant le qubit de chat à un mode dissipatif dont la fréquence est réglée au double de celle du mode du chat. Contrairement à de précédentes réalisations, ce couplage passif ne nécessite pas de pompe paramétrique et atteint un fort taux de dissipation d'environ 2 MHz. Les erreurs de bit-flip sont alors évitées pendant une période caractéristique pouvant aller jusqu'à 0.3 s, avec un impact modéré sur les erreurs de phase-flip. De plus, nous démontrons un contrôle universel de ce qubit en utilisant la dissipation à 2 photons pour réaliser des portes logiques X, Y et Z d'un angle arbitraire.
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MARQUET_Antoine_2023ENSL0125_These.pdf (26.32 Mo) Télécharger le fichier
Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04524858 , version 1 (28-03-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04524858 , version 1

Citer

Antoine Marquet. Quantum Error Correction using cat qubits. Quantum Physics [quant-ph]. Ecole normale supérieure de lyon - ENS LYON, 2023. English. ⟨NNT : 2023ENSL0125⟩. ⟨tel-04524858⟩
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