Transitions d'état induites par la mesure dans des systèmes hybrides de cqed avec spins // measurement-induced state transitions in hybrid cqed systems with spins

Topic description

Cette thèse vise à étudier, sur les plans théorique et expérimental, la lecture (readout) de qubits de spin à l'aide de résonateurs supraconducteurs. Des expériences récentes menées au CEA Grenoble ont démontré un couplage fort entre un spin de trou confiné dans un point quantique de nanofil de silicium et un photon micro-onde confiné dans un résonateur supraconducteur. Cette démonstration étend les expériences d'électrodynamique quantique en circuit (cQED) aux qubits de spin de trous, qui constituent des systèmes prototypes à deux niveaux.

Étant donné que le résonateur et le qubit sont couplés, l'inférence de l'état du résonateur permet de mesurer l'état de spin. La vitesse et la fidélité de la lecture du qubit augmentent avec la puissance d'excitation appliquée pour sonder l'état du résonateur. Dans les plateformes cQED traditionnelles utilisant des qubits supraconducteurs, la lecture est limitée par des transitions vers des états excités (fuites), également appelées transitions d'état induites par la mesure (MIST), lorsque des puissances d'excitation élevées sont utilisées. Comme le spin de trou est un système presque parfaitement à deux niveaux, il est supposé être plus résilient à la dégradation de la lecture à forte puissance d'excitation.

Afin de le démontrer, une généralisation d'une approche semi-classique de Floquet récente sera développée afin de décrire la lecture en régime de forte excitation. Cette approche sera comparée à des simulations numériques exactes, et deux régimes seront étudiés : i) la lecture dispersive, dans laquelle le résonateur est excité, et ii) la lecture longitudinale, dans laquelle le qubit est excité. Cette dernière est supposée être plus rapide, mais n'a jamais été mise en œuvre dans des architectures cQED à base de qubits de spin.

Cette analyse théorique sera appliquée à des mesures de lecture réalisées sur des dispositifs spin-cQED au CEA Grenoble. Basés sur une technologie flip-chip récemment développée, ces dispositifs sont en principe capables d'effectuer des mesures rapides de spin. Les données expérimentales seront comparées aux prédictions théoriques pour la lecture de spin à différentes puissances d'excitation. La discrimination rapide de l'état de spin qui en résulte est essentielle pour des applications telles que la détection quantique, la simulation et le calcul quantiques.
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The thesis investigates, both theoretically and experimentally, the readout of spin qubits using superconducting resonators. Recent experiments at CEA Grenoble have demonstrated strong coupling between a hole spin confined in a silicon nanowire quantum dot and a microwave photon confined in a superconducting resonator. This result extends circuit quantum electrodynamics (cQED) to hole spin qubits, which constitute prototypical two-level systems.

Because the resonator and the qubit are coupled, inferring the state of the resonator provides access to the spin state. The speed and fidelity of qubit readout increase with the driving power used to probe the resonator. In conventional cQED platforms based on superconducting qubits, readout is limited at high drive powers by leakage to excited states, known as measurement-induced state transitions (MIST). In contrast, hole spins, being close to ideal two-level systems, are expected to be more robust against readout degradation in this regime.

To investigate this, a recent Floquet semi-classical framework will be generalized to describe readout under strong driving conditions. Its predictions will be benchmarked against exact numerical simulations. Two readout schemes will be analyzed: i) dispersive readout, where the resonator is driven, and ii) longitudinal readout, where the qubit is driven. The latter is expected to provide faster readout but has not yet been implemented in cQED architectures with spin qubits.

The theoretical framework will be applied to experimental measurements performed on spin-cQED devices at CEA Grenoble. These devices, based on a recently developed flip-chip technology, are in principle capable of enabling fast spin measurements. Experimental results will be compared with theoretical predictions over a range of driving powers. Achieving rapid and reliable spin-state discrimination is crucial for applications in quantum sensing, simulation, and computing.
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Début de la thèse : 01/10/

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Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

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