Couplage entre deux qubits supraconducteurs

   Les circuits de la microélectronique sont décrits pas des lois « classiques » qui régissent le monde macroscopique. Mais pour les phénomènes à l’échelle atomique ou sub-atomique, ces lois sont profondément bouleversées. La mécanique quantique gouverne alors le monde infiniment petit des atomes ou des molécules. Les circuits supraconducteurs permettent de faire le lien entre ces deux mondes. Ces circuits électroniques sont macroscopiques mais obéissent aux lois du monde quantique. Ils constituent des systèmes modèles pour créer, analyser, tester des nouvelles propriétés dans le domaine de la nanoélectronique quantique..

  Récemment nous avons étudié un circuit constitué d’un transistor à paires de Cooper en parallèle à une boucle supraconductrice ayant deux jonctions Josephson (appelé SQUID). Le transistor est une petite boîte supraconductrice connectée au circuit extérieur par deux jonctions Josephson. Cette boîte peut contenir zéro ou une paire d’électrons. Ce nombre est contrôlé par une tension de grille extérieure. Le transistor est décrit par deux états quantiques différents notés |-> et |+> et constitue un bit quantique, appelé qubit de charge. Le SQUID constitue un résonateur très fortement non linéaire. Ce résonateur peut contenir zéro ou une excitation élémentaire appelé plasmon et notées |0> et |1>. Il constitue lui aussi un bit quantique, appelé qubit de phase. Il est contrôlé par un champ magnétique extérieur et par le courant qui le traverse.





Fig. 1 : Micrographie électronique (a) du transistor montrant l’îlot supraconducteur connecté à travers deux jonctions au SQUID et la grille de contrôle des états de charge et (b) du circuit couplé avec le SQUID au centre et le transistor à gauche.

  Nous avons mesuré la probabilité de transition entre l’état fondamental |0,-> et les deux premiers niveaux excités |1,-> et |0,+> en fonction de la fréquence d’un champ micro-onde sur la grille ou sur le SQUID. Ces mesures nous permettent d’obtenir le spectre en énergie du circuit couplé en fonction des paramètres de contrôle extérieurs. Les fréquences de transition résonante entre les niveaux sont de l’ordre de 10GHz et correspondent à des énergies d’environ 10-23 J. Ces expériences sont réalisées dans un cryostat à dilution (T 30mK) afin de s’affranchir du peuplement thermique des états excités.

 Lorsque les énergies des deux qubits sont égales, le couplage lève la dégénérescence et produit des anti-croisements dans le spectre d’énergie. Des états d’enchevêtrement maximal sont alors réalisés.Nous avons observé dans notre circuit un couplage contrôlable entre les deux qubits. Nous avons réussi à décrire très finement le spectre d’énergie ainsi que le couplage entre les deux qubits avec un modèle théorique basée sur la mécanique quantique. La manipulation des états enchevêtrés et de l’information quantique est maintenant possible dans ces nanocircuits supraconducteurs.



 
Fig. 2 : Spectre d’énergie du circuit couplé en fonction de la tension de grille. A ng=1/2, la levée de la dégénérescence révèle la force du couplage entre les deux qubits. Théorie quantique sans couplage (lignes pointillés) et en présence du couplage (lignes continues).
Contact : Olivier Buisson
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Wiebke Guichard
wiebke.guichard grenoble.cnrs.fr
Tel : +33 476887820
Pour en savoir plus :
« Strong tunable coupling between a charge and a phase qubit »
A. Fay, W. Guichard, F. Lecocq, E. Hoskinson, F. Lecocq, L. Lévy, F.W.J. Hekking, O. Buisson, Phys. Rev. Lett. 100, (2008).

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