L'association d'un bit quantique et d'un mode harmonique couplé dispersivement est l'un des systèmes les plus étudiés dans le domaine de l'électrodynamique quantique de circuits supraconducteurs. Il offre un des moyens actuels les plus fiables pour mesurer l'état d'un bit quantique de manière non-destructive, et a permis nombre d'expériences d'information quantique étudiant l'information obtenue via cette mesure et la dynamique du qubit lorsqu'il y est soumis. Il offre également la possibilité de préparer et de manipuler l'état quantique du mode harmonique grâce au qubit, ce qui permet de stocker et de manipuler de l'information dans ce mode. C'est notamment crucial pour des applications telles que la construction d'un ordinateur quantique. Dans cette thèse sont présentées deux expériences reposant sur cette architecture.
La première démontre comment utiliser la fluorescence du qubit pour lire le nombre de de photons contenus dans le mode de manière non-destructive et en un seul coup, c'est-à-dire avant que les photons soient dissipés. Cela permet de mesurer des trajectoires du nombre de photons, et de les voir quitter la cavité un par un. L'analyse de cette expérience repose sur une analyse de la fluorescense en termes de modes propageants, et permet d'aborder un certain nombre de questionnements sur l'information que peuvent contenir ces modes.
La seconde constitue une démonstration de l'utilisation d'un réseau de neurones dans le cadre de la préparation d'états quantiques dans le mode. Il s'agit ici d'accélérer l'optimisation des impulsions électromagnétiques de contrôle du mode et du qubit pour créer un état quantique dans le mode avec une grande fidélité, et ce pour une grande classe d'états. Pour évaluer l'efficacité de ce nouveau protocole d'optimisation sur l'ensemble de cette classe, une manière optimale d'évaluer la fidélité des états préparés à partir d'un protocole de mesure de la function de Wigner du mode a été pour la première fois implémentée expérimentalement.
Measurement and neural network-assisted control of quantum microwave modes with superconducting circuits
The association of a quantum bit and a harmonic mode dispersively coupled is one of the most studied systems in the field of quantum electrodynamics of superconducting circuits. It offers one of the most reliable current methods for measuring the state of a quantum bit in a non-destructive manner and has enabled numerous quantum information experiments, studying the information obtained through this measurement and the dynamics of the qubit when subjected to it. It also provides the ability to prepare and manipulate the quantum state of the harmonic mode via the qubit, allowing information to be stored and processed in this mode, which is fundamental to building a quantum processor. This thesis presents two experiments based on this architecture.
The first demonstrates how to use qubit fluorescence to non-destructively read the number of photons contained in a microwave cavity in a single shot, that is, before the cavity has relaxed. This makes it possible to measure photon number trajectories and observe them leave the cavity one by one. The analysis of this experiment relies on a fluorescence analysis in terms of propagating modes and addresses a number of questions about the information that these modes may contain.
The second is a demonstration of the use of a neural network for quantum state preparation in the cavity. Here, the goal is to accelerate the optimization of control electromagnetic pulses at the frequencies of the cavity and qubit to create a quantum state in the cavity with high fidelity, and this for a broad class of states. To evaluate the efficiency of this new optimization protocol over this class of states, an optimal method to assess the fidelity of the prepared states using a Wigner function measurement protocol was experimentally implemented for the first time.
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