Hector Hutin

Mesure et contrôle assisté par réseau de neurones de modes micro-ondes quantiques avec des circuits supraconducteurs: L'association d'un bit quantique et d'un mode harmonique couplé dispersivement est l'un des systèmes les plus étudiés dans le domaine de l'électrodynamique quantique de circuits supraconducteurs. Il offre un des moyens actuels les plus fiables pour mesurer l'état d'un bit quantique de manière non-destructive, et a permis nombre d'expériences d'information quantique étudiant l'information obtenue via cette mesure et la dynamique du qubit lorsqu'il y est soumis. Il offre également la possibilité de préparer et de manipuler l'état quantique du mode harmonique grâce au qubit, ce qui permet de stocker et de manipuler de l'information dans ce mode. C'est notamment crucial pour des applications telles que la construction d'un ordinateur quantique. Dans cette thèse sont présentées deux expériences reposant sur cette architecture. La première démontre comment utiliser la fluorescence du qubit pour lire le nombre de de photons contenus dans le mode de manière non-destructive et en un seul coup, c'est-à-dire avant que les photons soient dissipés. Cela permet de mesurer des trajectoires du nombre de photons, et de les voir quitter la cavité un par un. L'analyse de cette expérience repose sur une analyse de la fluorescense en termes de modes propageants, et permet d'aborder un certain nombre de questionnements sur l'information que peuvent contenir ces modes. La seconde constitue une démonstration de l'utilisation d'un réseau de neurones dans le cadre de la préparation d'états quantiques dans le mode. Il s'agit ici d'accélérer l'optimisation des impulsions électromagnétiques de contrôle du mode et du qubit pour créer un état quantique dans le mode avec une grande fidélité, et ce pour une grande classe d'états. Pour évaluer l'efficacité de ce nouveau protocole d'optimisation sur l'ensemble de cette classe, une manière optimale d'évaluer la fidélité des états préparés à partir d'un protocole de mesure de la fonction de Wigner du mode a été pour la première fois implémentée expérimentalement.

Scaling up quantum computing devices requires solving ever more complex quantum control tasks. Machine learning has been proposed as a promising approach to tackle the resulting challenges. However, experimental implementations are still scarce. In this work, we demonstrate experimentally a neural-network-based preparation of Schrödinger cat states in a cavity coupled dispersively to a qubit. We show that it is possible to teach a neural network to output optimized control pulses for a whole family of quantum states. After being trained in simulations, the network takes a description of the target quantum state as input and rapidly produces the pulse shape for the experiment, without any need for time-consuming additional optimization or retraining for different states. Our experimental results demonstrate more generally how deep neural networks and transfer learning can produce efficient simultaneous solutions to a range of quantum control tasks, which will benefit not only state preparation but also parametrized quantum gates.

The number of excitations in a large quantum system (harmonic oscillator or qudit) can be measured in a quantum nondemolition manner using a dispersively coupled qubit. It typically requires a series of qubit pulses that encode various binary questions about the photon number. Recently, a method based on the fluorescence measurement of a qubit driven by a train of identical pulses was introduced to track the photon number in a cavity, hence simplifying its monitoring and raising interesting questions about the measurement backaction of this scheme. A first realization with superconducting circuits demonstrated how the average number of photons could be measured in this way. Here we present an experiment that reaches single-shot photocounting and number tracking owing to a cavity decay rate 4 orders of magnitude smaller than both the dispersive coupling rate and the qubit emission rate. An innovative notch filter and pogo-pin-based galvanic contact makes possible these seemingly incompatible features. The qubit dynamics under the pulse train is characterized. We observe quantum jumps by monitoring the photon number via the qubit fluorescence as photons leave the cavity one at a time. Additionally, we extract the measurement rate and induced dephasing rate and compare them to theoretical models. Our method could be applied to quantum error correction protocols on bosonic codes or qudits.