Hdr Année : 2024

Design and control of Josephson circuits for the protection and processing of quantum information

Résumé

This thesis explores applications of Josephson circuits for protecting and processing quantum information. The work is structured around three main research directions. First, we investigate quantum error correction for a logical qubit encoded in Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP) grid states within a high-quality microwave resonator. We extract error syndromes through stroboscopic interactions with an auxiliary qubit and apply error correction via Markovian feedback. However, we identify a key limitation: noise propagating from the auxiliary qubit introduces an uncorrectable error channel. To mitigate this, we propose mediating the interaction through a buffer resonator, itself prepared in a GKP state. We demonstrate that asymmetric preparation of the buffer quadratures can robustly suppress propagating errors. Second, we introduce a distinct approach to GKP error correction, where the target resonator interacts with an auxiliary mode through modular operators that commute with logical operators. This configuration prevents noise from propagating at the logical level. Third, we propose a robust on-chip implementation of tunable coupling and circulation using a reconfigurable traveling wave parametric converter. This device supports two propagation modes with different wave velocities, allowing phase-matching of conversion processes between counterpropagating signals. This work contributes to advancing error-corrected quantum information processing with Josephson circuits, addressing key challenges in quantum error correction and circuit design.

Cette thèse explore les applications des circuits Josephson pour la protection et le traitement de l’information quantique. Ce travail s’articule autour de trois axes de recherche principaux. Tout d’abord, nous étudions la correction d’erreur quantique pour un qubit logique encodé sous forme d’états de grille de Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP) dans un résonateur micro-ondes de haute qualité. Nous extrayons les syndromes d’erreur via des interactions stroboscopiques avec un qubit auxiliaire et appliquons la correction d’erreur grâce à un contrôle de rétroaction markovien. Cependant, nous identifions une limitation majeure : le bruit propagé par le qubit auxiliaire ouvre un canal d’erreur non corrigeable. Pour y remédier, nous proposons d’interagir avec le résonateur cible via un résonateur tampon, lui-même préparé dans un état GKP. Nous montrons que la préparation asymétrique des quadratures du résonateur tampon permet de supprimer efficacement les erreurs propagées. Ensuite, nous introduisons une approche alternative de la correction d’erreur GKP, où le résonateur cible interagit avec un mode auxiliaire via des opérateurs modulaires qui commutent avec les opérateurs logiques du qubit encodé. Dans cette configuration, le bruit ne peut pas se propager au niveau logique. Enfin, nous proposons une implémentation robuste et intégrée de deux fonctionnalités clés en micro-ondes—le couplage réglable et la circulation—grâce à un convertisseur paramétrique à onde progressive reconfigurable. Ce dispositif présente l’originalité de supporter deux modes de propagation avec des vitesses de phase différentes, permettant l’accord de phase des processus de conversion entre signaux contre-propageants. Ce travail contribue à l’avancement du traitement de l’information quantique tolérant aux erreurs à l’aide de circuits Josephson, en répondant aux défis majeurs de la correction d’erreur quantique et de la conception des circuits.

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tel-04901822 , version 1 (20-01-2025)

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  • HAL Id : tel-04901822 , version 1

Citer

Philippe Campagne-Ibarcq. Design and control of Josephson circuits for the protection and processing of quantum information. Physics [physics]. ENS Paris - Ecole Normale Supérieure de Paris, 2024. ⟨tel-04901822⟩
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