Effect of the Environment on Fluxonium Qubits and Thermodynamics of Quantum Measurement

par Jeremy Stevens

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Benjamin Huard.

Soutenue le 27-09-2021

à Lyon , dans le cadre de École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon , en partenariat avec École normale supérieure de Lyon (établissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire de physique (Lyon) (laboratoire) .

Le président du jury était Pascal Degiovanni.

Le jury était composé de Benjamin Huard, Pascal Degiovanni, Alexandre Blais, Ioan Mihai Pop, Audrey Bienfait, Igor Dotsenko, Géraldine Haack.

Les rapporteurs étaient Alexandre Blais, Ioan Mihai Pop.

  • Titre traduit

    Effet de l’Environnement sur les Qubits Fluxonium et Thermodynamique des Mesures Quantiques


  • Résumé

    Les qubits supraconducteurs sont au cœur de nombreuses expériences de mécanique quantique élémentaire et sont l’un des prétendants principaux pour le futur ordinateur quantique. Dans les deux cas, un haut niveau de contrôle, à la fois sur le qubit et son environnement, est essentiel. Les premiers chapitres de cette thèse décrivent plusieurs méthodes qui peuvent servir à concevoir l’effet de l’environnement sur les circuits supraconducteurs, et en particulier sur le très prometteur qubit Fluxonium. Nous détaillons la théorie des qubits protégés et traitons la conception des appareils quantiques, ainsi que le câblage des réfrigérateurs à dilution avec l’objectif de réduire le bruit de l’environnement. En utilisant ces méthodes, nous créons des conditions permettant des expériences pour étudier l’effet de l’environnement sur le qubit Fluxonium. Nous montrons que les photons présents dans la cavité utilisée pour mesurer le qubit, ainsi qu’un réfrigérateur à dilution avec une température trop élevée, peuvent avoir des effets néfastes sur la stabilité de l’état quantique. Cette expérience met également en lumière les problèmes qui restent à résoudre concernant la lecture dispersive des Fluxoniums avant de les utiliser comme élément de base dans un ordinateur quantique.La décohérence quantique d’un qubit peut être décrite par les nombreuses interactions cohérentes avec l’environnement au sujet desquelles l’observatrice n’a aucune information. Dans la dernière partie de la thèse, nous présentons des résultats permettant de mieux comprendre la thermodynamique des mesures et des opérations quantiques, en observant l’échange cohérent d’énergie entre un champ propageant et un qubit que l’on mesure. Nous interprétons la préparation de l’état du qubit par un pulse cohérent comme une mesure faible du pulse par le qubit.


  • Résumé

    Superconducting qubits are at the heart of many experiments exploring elementary quantum mechanics and are one of the principal candidates for use in a future quantum computer. In both cases, a high level of control over both the quantum system and its environment is necessary. The first chapters of this thesis describe several techniques used to engineer the effect of the environment in circuit QED with a focus on the promising Fluxonium qubit. We give a detailed treatment of the theoretical basis for protected qubits and analyse device design and dilution refrigerator wiring from the perspective of environment noise reduction. As an application of these methods, we reproduce state of the art conditions for Fluxonium experiments in order to study the effect of the environment on the qubit. We show how photons in the cavity used to measure the quantum bit and a high temperature of the dilution refrigerator in which the device is placed can have detrimental effects on the stability of the quantum state. Critically, this shows that there remain several problems still to solve regarding the dispersive readout of Fluxoniums before using them as the basis for a quantum computer.Theoretically, the decoherence of a qubit can be broken down into many coherent exchanges with the qubit environment about which the observer has no information. In the last part of the thesis, we show the results of an experiment providing insight into the thermodynamics of quantum measurement and operations by observing the coherent energy exchange between a propagating field and a qubit under measurement. We provide an interpretation of the preparation of a qubit state by a coherent light pulse as a weak measurement of the pulse by the qubit.


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