Strongly driven quantum Josephson circuits

par Lucas Verney

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Mazyar Mirrahimi et de Zaki Leghtas.

Soutenue le 11-07-2019

à Paris Sciences et Lettres , dans le cadre de École doctorale Physique en Île-de-France (Paris) , en partenariat avec Laboratoire Pierre Aigrain (Paris) (laboratoire) et de École normale supérieure (Paris ; 1985-....) (établissement de préparation de la thèse) .

Le président du jury était Serge Florens.

Le jury était composé de Mazyar Mirrahimi, Zaki Leghtas, Serge Florens, Olivier Buisson.

Les rapporteurs étaient Serge Florens, Olivier Buisson.

  • Titre traduit

    Circuits Josephson quantiques en présence de champs forts


  • Résumé

    Dans cette thèse, nous étudions le comportement de circuits Josephson sous l'action de champs microondes forts. Les circuits Josephson dans le régime quantique sont une brique pour émuler une variété d'hamiltoniens, utiles pour traiter l'information quantique. Nous étudions ici le transmon, constitué d'une jonction Josephson et d'un condensateur en parallèle. À travers des simulations numériques et en comparant aux résultats expérimentaux, nous montrons que ces champs conduisent à une instabilité qui envoie le circuit sur des états qui ne sont plus confinés par le potentiel Josephson en cosinus. Quand le transmon occupe de tels états, le circuit se comporte comme si la jonction avait été remplacée par un interrupteur ouvert et toute non-linéarité est perdue, ce qui se traduit par des limitations sur les amplitudes maximales des hamiltoniens émulés. Dans une deuxième partie, nous proposons et étudions un circuit alternatif basé sur un transmon avec une inductance en parallèle, qui fournit un confinement harmonique. La dynamique de ce circuit est stable et bien capturée par un modèle moyennisé qui fournit alors un outil pratique pour l'analyse analytique ou les simulations rapides. Nous avons développé un nouvel outil de simulations modulaire et basé sur la théorie de FloquetMarkov pour permettre de simuler facilement d'autres circuits Josephson en évitant les limitations des analyses perturbatives. Enfin, nous étudions les propriétés d'une version asymétrique du Josephson Ring Modulator, un circuit actuellement utilisé pour l'amplification et la conversion, comme source de non-linéarité pour émuler les hamiltoniens d'interaction à deux et quatre photons requis pour l'encodage de l'information quantique sur des états de chats de Schrödinger.


  • Résumé

    In this thesis, we investigate the behavior of Josephson circuits under the action of strong microwave drives. Josephson circuits in the quantum regime are a building block to emulate a variety of Hamiltonians, useful to process quantum information. We are here considering a transmon device, made of a Josephson junction and a capacitor in parallel. Through numerical simulations and comparison with experimental results, we show that these drives lead to an instability which results in the escape of the circuit state into states which are no longer confined by the Josephson cosine potential. When the transmon occupies such states, the circuit behaves as if the junction had been removed and all non-linearities are lost, which translates into limitations on the emulated Hamiltonian strengths. In a second part, we propose and study an alternative circuit consisting of a transmon device with an extra inductive shunt, providing a harmonic confinement. This circuit is found to be stable for all pump powers. The dynamics of this circuit is also well captured by a time-averaged model, providing a useful tool for analytical investigation and fast numerical simulations. We developed a novel numerical approach that avoids the built-in limitations of perturbative analysis to investigate the dynamical behavior of both of these circuits. This approach, based on the Floquet-Markov theory, resulted in a modular simulation framework which can be used to study other Josephson-based circuits. Last, we study the properties of an asymmetric version of the Josephson Ring Modulator, a circuit currently used for amplification and conversion, as a more robust source of non-linearity to engineer two-photon and four-photon interaction Hamiltonians required for the catstate encoding of quantum information.


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