Ingénierie de l'intrication quantique dans le domaine micro-onde – GEARED

L'intrication est la ressource clé pour le traitement de l'information quantique (simulation, calcul et communication quantiques). Les états intriqués sont cependant difficiles à générer et à maintenir, car l'interaction avec un environnement non-contrôlé conduit généralement à une perte rapide de leurs propriétés quantiques. Nous proposons d'étudier plusieurs approches complémentaires pour maîtriser l’intrication des photons micro-ondes couplés à des circuits supraconducteurs quantiques. Ces photons micro-ondes bénéficient de l'énorme avantage par rapport à ceux du domaine optique, de pouvoir être couplés très fortement à des systèmes non-linéaires et non-dissipatifs. En outre, le temps de cohérence des bits quantiques (qubits) supraconducteurs a augmenté de 5 ordres de grandeur en 15 ans, atteignant aujourd’hui 0,1 ms. Enfin, le contrôle temporel et fréquentiel des signaux est bien plus avancé en micro-ondes qu’en optique, et nos atomes artificiels avec des transitions micro-ondes sont dans le régime quantique dès qu’ils sont refroidis à la température d’un réfrigérateur à dilution.

Dans ce contexte des circuits supraconducteurs quantiques, l’intrication a été générée entre quelques degrés de liberté, tout en explorant divers types d'interactions locales. Ici, nous visons à explorer deux nouvelles directions. La première direction consiste en la réalisation d’états intriqués à N-corps. La seconde consiste à générer une intrication non-locale entre des systèmes quantiques isolés l'un de l'autre. Dans ce but, la présente proposition GEARED abordera plusieurs questions clés:

-Nous allons construire un système à deux niveaux, connecté à un environnement conçu sur la base de lignes de transmission à haute impédance, pour implémenter la physique de l’effet Kondo avec des photons. Ici, l’intrication entre le système à deux niveaux et les degrés de liberté de l'environnement électromagnétique est à l'origine d'un effet Kondo photonique.

-Nous allons concevoir, fabriquer et faire fonctionner un nœud quantique basé sur une cavité micro-onde couplée à l'aide d’éléments Josephson non-linéaires appropriés. Cet appareil peut être utilisé à la fois comme une mémoire quantique, assurant la capture et la libération contrôlées de l'état quantique d'un photon micro-onde, ou comme un générateur d’intrication, distribuant l’intrication entre deux mémoires distinctes. Ces propriétés uniques seront ensuite exploitées pour la réalisation de la téléportation quantiques et la préparation d'états à distance.

-En utilisant la situation simple d'une jonction Josephson intégrée dans un environnement à haute impédance, nous allons concevoir des sources lumineuses d’états non-classiques du champ électromagnétique, des états photoniques intriqués, et des photons uniques. Nous caractériserons l’intrication de ces états quantiques.

-Nous allons étudier comment, en couplant deux qubits supraconducteurs isolés, à des sources de bruit non-classiquement corrélées, on peut maintenir la cohérence des états intriqués à distance. Nous allons suivre une approche de stabilisation autonome: en couplant le système quantique à un réservoir dont le hamiltonien est bien conçu, nous dirigeons et évacuons l'entropie, induite par le couplage à d'autres degrés de liberté non-contrôlés, à travers le réservoir intentionnellement couplé.

Ces problèmes nécessitent une synergie importante entre les partenaires pour résoudre les défis conceptuels, tels que l'ingénierie d’environnements électromagnétiques appropriés et la mise en place de mesures d’intrication efficaces, et lever des verrous technologiques, tels que la conception d’environnements avec une impédance caractéristique qui approche le quantum de résistance. Nous sommes convaincus que cette proposition ouvre de nouvelles voies dans le domaine de l'électrodynamique quantique des circuits.