Dynamically Enhancing Qubit-Photon Interactions with Anti-Squeezing
Accroissement Dynamique du Couplage entre un Bit Quantique et des Photons Comprimés
Résumé
Superconducting circuits are a prominent tool for the exploration of the interaction between light and matter in the quantum regime. Photons hosted in superconducting oscillators can be coupled to various hybrid systems such as mechanical vibrations, spin ensembles or quantum dots. Their interaction is mediated by electromagnetic forces, whose strength grows with the vacuum-field fluctuations of the oscillator. Quantum control of the hybrid system through the photons requires strong coupling, meaning an energy exchange rate greater than their individual relaxation rates. Thus, the oscillator ought to be designed as to maximize field fluctuations. While some hybrid systems are comfortably installed in the strong-coupling regime, some others are still seeking stronger interactions.
In that respect, it was recently proposed to use a nonlinear oscillator forced by a detuned parametric drive. The resulting Bogoliubov oscillator (BO) is effectively a harmonic oscillator, whose eigenstates are squeezed Fock states. When coupled to a qubit, the enhanced fluctuations of the BO eigenstates are expected to boost their interaction strength. This thesis presents the first demonstration of the squeezing-enhanced coupling of an electromagnetic BO to a superconducting qubit. The BO is emulated by a driven superconducting resonator enhanced by Josephson junctions, and the qubit is of the transmon design. In the dispersive regime, we demonstrate a two-fold increase of their interaction strength at 5.5 dB of squeezing. In addition, this thesis introduces another intriguing property of BOs, specifically, the ability to deliver amplification not constrained by the gain-bandwidth product. This is a highly desirable feature for quantum limited amplifiers, crucial for the operation of superconducting circuits. Finally, the JAWS sample-holder is presented, a key piece of engineering for microwave experiments designed at LPENS.
Owing to the ubiquity of electromagnetic forces, this thesis opens the way for the integration of BOs with a wide range of hybrid systems. It also sheds light on the fascinating properties of these oscillators of squeezed photons, applicable from quantum-limited amplification to the study of quantum phase-transitions.
Les circuits supraconducteurs sont une plateforme de choix pour l’étude de l’interaction entre lumière et matière à l’échelle quantique. Lorsqu'un photon logé dans un oscillateur supraconducteur intéragit avec un système hybride tel qu’un mode mécanique, un ensemble de spins ou une boîte quantique, l’intensité de leur couplage dépend des fluctuations de point zéro de l’oscillateur. Le contrôle quantique du système hybride par les photons nécessite un couplage fort, c’est-à-dire un taux d’interaction supérieur aux taux de relaxations individuels. Ainsi, l’oscillateur doit être conçu de manière à maximiser les fluctuations du champ. Alors que certains systèmes prospèrent dans le régime de couplage fort, d’autres sont toujours en quête d’interactions croissantes.
À ce titre, il a récemment été proposé d’utiliser un oscillateur non-linéaire forcé par une excitation paramétrique hors-résonante. L'oscillateur de Bogoliubov (OB) qui en résulte apparait comme un oscillateur harmonique, dont les états propres sont des états de Fock comprimés. Lorsqu'il est couplé à un bit quantique, les fluctuations accrues des états propres de l’OB sont censées augmenter leur taux d'interaction. Cette thèse présente la première démonstration du couplage d'un OB électromagnétique à un bit quantique supraconducteur. L’OB est implémenté dans un résonateur supraconducteur intégrant des jonctions Josephson, et le bit quantique est de type transmon. Dans le régime dispersif, nous démontrons que la force d'interaction est multipliée par deux à 5,5 dB de compression. En outre, cette thèse présente une autre propriété intrigante des OB, à savoir leur capacité à amplifier des signaux sans être limités par le produit gain-bande passante, caractéristique très souhaitable pour les amplificateurs limités quantiquement. Enfin, le porte-échantillon JAWS est présenté, un élément clé d'ingénierie micro-ondes développé au LPENS.
En raison de l'omniprésence des forces électromagnétiques, cette thèse ouvre la voie au couplage des OB à une large gamme de systèmes hybrides. Elle met également en lumière les propriétés fascinantes de ces oscillateurs de photons comprimés, avec des applications allant de l'amplification limitée quantiquement à l'étude des transitions de phase quantiques.
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