Molécule transmon optimisée pour une mesure quantique non destructrice en utilisant un couplage cross-Kerr

Optimized transmon molecule for high fidelity quantum non demolition readout using cross-Kerr coupling

• Auteur / Autrice : Vladimir Milchakov
• Direction : Olivier Buisson
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique appliquée
• Date : Soutenance le 28/03/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Néel (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Franck Balestro
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dominique Mailly, Valery Ryazanov
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ioan Mihai Pop, Denis Vion

Mots clés

Mots clés contrôlés

Supraconductivité

Théorie de l'information quantique

Mots clés libres

Qubit supraconducteur

Transmon

Mesures quantiques

Mesures de qubit

Mesure quantique non destructrice

Mesure quantique de haute haute fidélité

Superconducting qubit

Transmon

Quantum readout

Qubit readout

Quantum non demolition readout

High-Fidelity quantum readout

Résumé

Pour effectuer des calculs quantiques, il est nécessaire de construire un circuit contenant plusieurs qubits interconnectés et d'être capable de lire ses états avec une grande fidélité. Le couplage dispersif transverse entre un qubit et une cavité micro-ondes est la technique la plus courante de lecture de qubits en cQED. Cependant, malgré des progrès importants, la mise en œuvre d'une lecture rapide et de haute fidélité reste un défi majeur. En effet, l'inférence de l'état du qubit est limitée par le compromis entre vitesse et précision dû à l'effet Purcell et aux transitions indésirables induites par les photons de lecture dans la cavité.Ce travail se concentre sur une étude expérimentale du couplage cross-Kerr et de ses avantages pour la lecture de l'état du qubit, en fournissant une haute fidélité et en maximisant la QNDness. Pour construire un nouveau schéma de lecture basé sur le couplage direct cross-Kerr, nous avons utilisé une architecture de qubit appelée "molécule transmon".Le couplage direct de Kerr croisé est un point clé de notre système de lecture, car il empêche le qubit de subir l'effet Purcell.Afin de réaliser le plein potentiel de ce système, des mesures approfondies ont été effectuées sur un système existant, puis une version améliorée a été conçue et fabriquée à l'aide d'une nouvelle recette de nanofabrication.Pour améliorer les performances du qubit et de la lecture, nous avons optimisé différents paramètres : la géométrie du circuit a été ajustée pour réduire l'amplitude du champ électrique micro-ondes aux interfaces ; les paramètres du circuit électrique ont été optimisés pour obtenir un désaccord important entre la lecture et les fréquences du transmon ; le couplage dipolaire indésirable entre le qubit transmon et la cavité a été réduit pour éviter l'effet Purcell.La recette de fabrication a également été étudiée et améliorée afin de se débarrasser des résidus de résine à la surface du substrat, appelés "voile de la mort", d'améliorer la qualité de l'aluminium et la reproductibilité des jonctions Josephson.Les mesures démontrent la lecture sans démolition quantique avec une fidélité aussi élevée que 99,4 % et un temps de relaxation 5 fois plus élevé qu'auparavant - 20 microsecondes.

To carry out quantum computations, it is necessary to construct a circuit containing several interconnected qubits and be able to readout its states with high fidelity. The transverse dispersive coupling between a qubit and a microwave cavity is the most common technique of qubit readout in cQED. However, despite important progresses, implementing a fast high fidelity readout remains a major challenge. Indeed, inferring the qubit state is limited by the trade-off between speed and accuracy due to Purcell effect and unwanted transitions induced by readout photons in the cavity.This work focuses on an experimental investigation of cross-Kerr coupling and its benefits for qubit state readout, providing high fidelity and maximizing QNDness. To build a new readout scheme based on direct cross-Kerr coupling we employed a qubit architecture called "transmon molecule".The direct cross-Kerr coupling is a key point to our readout scheme since it prevents the qubit from Purcell effect.In order to realise the full potential of this system, thorough measurements were taken of an existing system, and then an improved version was designed and fabricated using a new nano fabrication recipe.To improve the qubit and readout performance, we have optimized different parameters: the circuit geometry has been adjusted to reduce the amplitude of the microwave electrical field at the interfaces; the electric circuit parameters were optimized to reach large detuning between the readout and the transmon frequencies; unwanted dipolar coupling between the transmon qubit and the cavity was reduced to avoid the Purcell effect.The fabrication recipe was also investigated and improved to get rid of residuals of resist on the surface of the substrate so-called "Veil of Death", improve the quality of aluminum and reproducibility of Josephson junctions.The measurements demonstrating the quantum non-demolition readout with fidelity as high as 99.4% and relaxation time 5 times higher than before - 20 microseconds.