Thèse Année : 2024

Quantum control of a cat-qubit with macroscopic bit-flip times

Contrôle quantique d'un qubit de chat à temps de bit-flip macroscopiques

Résumé

The uncontrolled interactions of a quantum system with its environment, known as decoherence, continue to induce too many errors on qubits, thereby blocking their deployment into scalable quantum machines. A hopeful strategy is to build qubits that are inherently protected against certain types of errors. Such qubits are known as “biased noise qubits”. The foundational promise is that if a qubit is almost perfectly protected at the hardware level against one type of error (for example bit-flips), then the hardware requirement to protect against the other type of error (for example phase-flips) is considerably less demanding. However, the foreseen gain rests on a severe condition: quantum manipulations of the qubit must not break the protection that has been so carefully engineered at the hardware level. If this condition is not met, the advantage of biased noise qubits is lost. In this work, we have implemented such qubits, known as cat qubits. We present two experiments. In the first, the qubit is encoded in a high-quality factor 3D cavity equipped with two-photon dissipation. We demonstrate the preparation of quantum superpositions, and highlight that the device used for state tomography reduces the quality of the implemented qubit. In the second experiment, we use a 2D superconducting oscillator, and the tomography apparatus is removed. We show that our cat qubit maintains a bit-flip time of over ten seconds while demonstrating control of the phase of the quantum state. We demonstrate the compatibility of quantum control and inherent bit-flip protection at an unprecedented level, showing the viability of biased noise qubits for future quantum technologies.

Les interactions non contrôlées d’un système quantique avec son environnement provoquent de la décohérence, induisant des erreurs sur les qubits, l’unité fondamentale du traitement de l’information quantique. Cet obstacle freine aujourd’hui le développement de l’ordinateur quantique. Une stratégie prometteuse est la réalisation de qubits naturellement protégés contre certains types d'erreurs. Ces qubits sont appelés “qubits à bruit biaisé”. La promesse fondamentale est que : si un qubit est presque parfaitement protégé au niveau matériel contre un type d'erreur (par exemple, les bit-flips), alors les exigences matérielles pour protéger contre l'autre type d'erreur (par exemple, les phase-flips) sont considérablement réduites. Cependant, le gain anticipé repose sur une condition sévère : les manipulations quantiques du qubit ne doivent pas rompre la protection méticuleusement conçue au niveau matériel. Si cette condition n'est pas respectée, l'avantage des qubits à bruit biaisé est perdu. Dans ce travail, nous avons implémenté de tels qubits, connus sous le nom de qubits de chat. Dans une première expérience, le qubit est encodé dans une cavité 3D à haut facteur de qualité dotée de dissipation à deux photons. Nous démontrons la préparation de superpositions quantiques et mettons en évidence que l’appareil utilisé pour faire la tomographie d’état réduit la qualité du qubit implémenté. Dans une seconde expérience, nous utilisons un oscillateur supraconducteur 2D, et l’appareil de tomographie est retiré. Nous montrons que notre qubit de chat maintient un temps de bit-flip supérieur à dix secondes, et que nous pouvons contrôler la phase des états quantiques. Nous démontrons la compatibilité du contrôle quantique et de la protection intrinsèque contre les bit-flips à un niveau sans précédent, prouvant la viabilité des qubits à bruit biaisé pour les technologies quantiques futures.

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Citer

Ulysse Réglade. Quantum control of a cat-qubit with macroscopic bit-flip times. Physics [physics]. Université Paris sciences et lettres, 2024. English. ⟨NNT : 2024UPSLE015⟩. ⟨tel-05029001⟩
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