La synthèse et la reconstruction d’états en électrodynamique des circuits

La cinquième leçon a été consacrée à la description d’expériences d’électrodynamique des circuits ayant permis à l’équipe de John Martinis de synthétiser des états arbitraires d’un résonateur radiofréquence et des états intriqués de deux résonateurs. Nous avons commencé par décrire la préparation déterministe d’états de Fock qui consiste à coupler de façon répétée le résonateur radiofréquence à un qubit échangeant un quantum d’énergie avec lui, avant d’être réinitialisé dans son état excité. Les photons sont ainsi injectés un à un dans l’oscillateur jusqu’à ce que l’état cherché soit généré. Cet état est ensuite détecté en observant l’oscillation de Rabi du qubit, à une fréquence pure proportionnelle à la racine carrée du nombre de photons. Nous avons ensuite montré comment la méthode a été généralisée à la synthèse d’états arbitraires du résonateur radiofréquence, définis par leur développement sur la base des états de Fock. Suivant la procédure établie par Law et Eberly et déjà utilisée en physique des ions piégés, on commence par déterminer la suite des opérations permettant, en partant de l’état cible que l’on cherche à générer, à parvenir au vide en supprimant les quanta un a un dans le résonateur. Il ne reste plus qu’à appliquer ces opérations en sens inverse pour générer l’état cible en partant du vide. Les opérations que l’on combine sont des rotations individuelles et des déphasages des qubits ainsi que des impulsions d’oscillations de Rabi transférant de l’énergie entre le qubit et l’oscillateur. Une fois l’état généré, il est reconstruit par tomographie quantique, soit sous forme d’opérateur densité dans la base des états de Fock, soit sous forme de fonction de Wigner. Diverses superpositions cohérentes d’états de Fock ont ainsi été produites et reconstruites. La fin de la leçon a été consacrée à la description d’expériences récentes de génération et de reconstruction d’états intriqués de deux résonateurs radiofréquence. L’expérience implique deux circuits Josephson couplés à trois résonateurs coaxiaux. L’un de ces résonateurs (noté C) sert à intriquer les deux circuits Josephson, qui à leur tour, sont utilisés pour intriquer les deux autres résonateurs (notés A et B). L’expérience utilise trois niveaux de chaque circuit Josephson qui se comporte ainsi comme un « qutrit » plutôt que comme un qubit. Des états de type NOON dans lesquels N photons (avec N = 1, 2 et 3) se trouvent dans une superposition cohérente de l’état où ils sont tous dans le résonateur A avec l’état où ils sont tous dans le résonateur B ont ainsi été préparés et reconstruits. Nous avons comparé ces expériences avec celles réalisées antérieurement en électrodynamique quantique en cavité et en physique des ions piégés.