Cette thèse présente le travail de conception, de fabrication et de test d'un processor à 4 qubits Josephson, avec un souci d’évolutivité. Les qubits ont une fréquence réglable et sont tous couplés à un unique bus de couplage, afin d’implémenter la porte à deux qubits iSWAP, sur n’importe quelle paire d'entre eux. Chaque qubit est aussi équipé d’un amplificateur Josephson à bifurcation (JBA). Le principe du processeur, le choix des paramètres, le design micro-onde ainsi que la fabrication sont décrits. Une première expérience montre la lecture simultanée, haute-fidélité et en un coup de tous les qubits, par une technique de multiplexage fréquentiel des signaux de lecture. Une seconde teste la fidélité de la porte à deux qubits iSWAP, qui apparait limitée par la décohérence intrinsèque des qubits. / This thesis presents our effort to design, fabricate and test a simple 4-Josephson qubit processor with scalability potential. The qubits are frequency tunable and are coupled to a shared coupling bus able to implement iSwap two-qubit gates on any pair of qubits. Each qubit is fitted with its own readout made of a Josephson bifurcation amplifier (JBA). The operation principle of the processor, the choice of parameters, the microwave layout design, as well as the fabrication processes are described. A first experiment demonstrates the simultaneous high-fidelity readout of all the qubits by frequency multiplexing of the JBA signals. A second one tests the two-qubit iSwap gate of the processor, the fidelity of which happens to be limited by the intrinsic qubit decoherence.

En circuit-QED, la technique la plus usuelle pour lire l'état d'un qubit est d'utiliser le couplage transverse entre le qubit et une cavité micro-onde dans la limite dispersive. Cependant, malgré d'importants progrès au cours de cette décennie, obtenir une lecture rapide, en un seul coup et hautement fidèle d'un qubit reste un défi majeur. En effet, la distinction de l'état d'un qubit est limitée par le compromis entre vitesse d'acquisition et précision. Cette limite a pour origine le couplage transverse qui impose deux importantes contraintes expérimentales : premièrement, augmenter les interactions pour lire plus rapidement restreint la durée de vie du qubit via l'effet Purcell. La seconde contrainte est sur la force du signal, qui est limitée pour éviter des transitions non voulues et induites par la mesure. Par conséquent, le défi expérimental à relever avec le couplage transverse est d'acquérir un signal faible en un temps court...Pour surmonter ces limitations, nous voulons changer de paradigme en introduisant un nouveau schéma de lecture qui se base sur un couplage cross-Kerr direct. Ce schéma est obtenu grâce à une molécule artificielle supraconductrice couplée à une cavité micro-onde 3D. La molécule est construite en couplant inductivement deux atomes transmons supraconducteurs. Elle manifeste alors deux modes propres : le mode symétrique qubit transmon et le mode antisymétrique ancilla. En insérant cette molécule dans la cavité de manière optimale, une hybridation transverse entre l'ancilla et la cavité conduit à deux résonateurs faiblement anharmoniques, appelés polaritons. Ces derniers possèdent un couplage cross-Kerr direct et large avec le qubit transmon. En mesurant le signal micro-onde transmis par un polariton, l'état du qubit peut être résolu.Théoriquement, dans ce nouveau paradigme, le qubit est immunisé contre les limitations du couplage transverse tel que l'effet Purcell. Cependant, pour les deux échantillons étudiés, un couplage transverse résiduel existe à cause d'imperfections expérimentales. Même faible, il limite pour l'instant la durée de vie du qubit et nos performances de lecture. Malgré cela, nous avons obtenu une lecture du qubit en un seul coup avec une fidélité allant jusqu'à 97.2 % en 500 ns par une mesure dite de verrouillage grâce à la non-linéarité du polariton. Dans une limite linéaire à faible nombre de photons, nous démontrons une fidélité atteignant 94.7 % en seulement 50 ns de lecture grâce à l'ajout d'un amplificateur paramétrique Josephson. Dans ce régime, les sauts quantiques sont résolus et le qubit est lu de manière non-destructive 99.2 % du temps. / Using the transverse coupling between a qubit and a microwave cavity in the dispersive limit is the most common technique in circuit-QED to readout a qubit state. However, despite important progress in the last decade, implementing a fast single shot high fidelity readout remains a major challenge. Indeed, inferring the qubit state is limited by the trade-off between speed and accuracy. The transverse coupling imposes two significant experimental limitations: firstly, increasing the interaction for faster readout leads to limited qubit lifetime via the Purcell effect. Secondly, the strength of the signal is limited to avoid unwanted measurement-induced transitions. Therefore, the experimental challenge with transverse coupling is to acquire a weak signal in a short time...To overcome these limitations, we want to change this coupling paradigm by introducing a new readout scheme relying on a direct cross-Kerr coupling. This scheme is obtained thanks to a superconducting artificial molecule coupled to a microwave 3D cavity. The molecule is built by inductively coupling two transmon artificial atoms, resulting in two eigenmodes: a symmetric mode, the transmon qubit and an antisymmetric mode, the ancilla. By optimal positioning of the molecule in the cavity, a transverse hybridization between ancilla and cavity leads to two weakly anharmonic resonators, called polaritons. The latter possess a large and direct cross-Kerr coupling with the transmon qubit. By driving one of the polariton, the qubit states can be resolved.Theoretically, in such a coupling scheme, the qubit is immune to the limitation of the transverse coupling such as the Purcell effect. However, for the two studied samples, a residual transverse coupling remains due to experimental imperfections. Even if it is weak, it limits for now the qubit lifetime and the readout performances. Despite this, we observe single shot qubit readout performance with fidelity as high as 97.2 % in a 500 ns latching measurement using the non-linearity of the polariton. In a low photons number linear regime, we report fidelity as high as 94.7 % in only 50 ns thanks to the addition of a Josephson parametric amplifier. In this regime, quantum jumps are resolved and the qubit is measured non-destructively 99.2 % of the time.

L'électrodynamique quantique en circuit est une architecture prometteuse pour le calcul quantique ainsi que pour étudier l'optique quantique. Dans cette architecture, on couple un ou plusieurs qubits supraconducteurs jouant le rôle d'atomes à un ou plusieurs résonateurs jouant le rôle de cavités optiques. Dans cette thèse, j'étudie l'interaction entre un seul qubit supraconducteur et un seul résonateur, en permettant cependant au qubit d'avoir plus de deux niveaux et au résonateur d'avoir une non-linéarité Kerr. Je m'intéresse particulièrement à la lecture de l'état du qubit et à son amélioration, à la rétroaction du processus de mesure sur le qubit de même qu'à l'étude des propriétés quantiques du résonateur à l'aide du qubit. J'utilise pour ce faire un modèle analytique réduit que je développe à partir de la description complète du système en utilisant principalement des transformations unitaires et une élimination adiabatique. J'utilise aussi une librairie de calcul numérique maison permettant de simuler efficacement l'évolution du système complet. Je compare les prédictions du modèle analytique réduit et les résultats de simulations numériques à des résultats expérimentaux obtenus par l'équipe de quantronique du CEASaclay. Ces résultats sont ceux d'une spectroscopie d'un qubit supraconducteur couplé à un résonateur non linéaire excité. Dans un régime de faible puissance de spectroscopie le modèle réduit prédit correctement la position et la largeur de la raie. La position de la raie subit les décalages de Lamb et de Stark, et sa largeur est dominée par un déphasage induit par le processus de mesure. Je montre que, pour les paramètres typiques de l'électrodynamique quantique en circuit, un accord quantitatif requiert un modèle en réponse non linéaire du champ intra-résonateur, tel que celui développé. Dans un régime de forte puissance de spectroscopie, des bandes latérales apparaissent et sont causées par les fluctuations quantiques du champ électromagnétique intra-résonateur autour de sa valeur d'équilibre. Ces fluctuations sont causées par la compression du champ électromagnétique due à la non-linéarité du résonateur, et l'observation de leur effet via la spectroscopie d'un qubit constitue une première. Suite aux succès quantitatifs du modèle réduit, je montre que deux régimes de paramètres améliorent marginalement la mesure dispersive d'un qubit avec un résonateur linéaire, et significativement une mesure par bifurcation avec un résonateur non linéaire. J'explique le fonctionnement d'une mesure de qubit dans un résonateur linéaire développée par une équipe expérimentale de l'Université de Yale. Cette mesure, qui utilise les non-linéarités induites par le qubit, a une haute fidélité, mais utilise une très haute puissance et est destructrice. Dans tous ces cas, la structure multi-niveaux du qubit s'avère cruciale pour la mesure. En suggérant des façons d'améliorer la mesure de qubits supraconducteurs, et en décrivant quantitativement la physique d'un système à plusieurs niveaux couplé à un résonateur non linéaire excité, les résultats présentés dans cette thèse sont pertinents autant pour l'utilisation de l'architecture d'électrodynamique quantique en circuit pour l'informatique quantique que pour l'optique quantique.

Quantum computers are being developed to solve certain problems faster than classical computers. Instead of using classical bits, they use quantum bits (qubits) that utilize quantum effects. At Chalmers University of Technology, researchers have already built a quantum chip consisting of two superconducting transmon qubits and are trying to build systems with more qubits. To assist in that process, they make numerical simulations of the quantum systems. However, these simulations face an intrinsic computational limitation: the Hilbert space of the system grows exponentially with the number of qubits. In order to mitigate the problem: the simulations should be made as efficient as possible, by applying certain approximations, while still obtaining accurate results. The aim of this project is to compare several of these approximations, to see how accurate they are and how fast they run on a classical computer. This is done by modelling the qubits as quantum anharmonic oscillators and testing several cases: varying the energy levels of the qubits, increasing the number of qubits, and testing the rotating-wave approximation (RWA). These cases were tested by implementing two-qubit gates on the system. The simulations were all made using the Python library QuTiP. The results show that one should simulate using at least one energy level higher than the maximum energy level required for the gate to function. For larger systems, the RWA will make a big difference in simulation times, while still giving relatively accurate results. When using the RWA, the number of levels used does not seem to affect the results significantly and one could therefore use the lowest possible energy levels that can simulate the system.

During this thesis, we have used superconducting circuits with Josephson junctions, derived from the Cooper pair box, in order to implement quantum bits (qubits). <br />To implement two-qubit gates, we have developed a new circuit, the quantroswap, which consists in two capacitively coupled Cooper pair box, each of them being manipulated and read separately. We have demonstrated coherent exchange of energy between them, but we have also observed a problem of qubit instability.<br />In order to avoid this spurious effect, we have implemented another circuit based on a charge insensitive split Cooper pair box coupled to a non-linear resonator for readout-out purpose. We have measured large coherence time, and obtained large readout fidelity (90%) using the bifurcation phenomenon. <br />For metrological purpose, microwave reflectometry measurement on a quantronium also allowed us to relate an applied current I to the frequency f=I/2e of induced Bloch oscillations.

Superconducting qubits are a promising technology for building a scalable quantum computer. An important architecture employed in the field is called Circuit Quantum Electrodynamics (circuit QED), where such qubits are combined with high quality microwave cavities to study the interaction between artificial atoms and single microwave photons. The ultra-strong coupling achieved in these systems allows for control and readout of the quantum state of qubits to perform quantum information processing. The work on circuit QED performed in this thesis consisted of realizing an experimental setup for qubit experiments in a new laboratory, investigating the coherence and decay of higher energy levels of superconducting transmon qubits and finally demonstrating a novel coaxial form of circuit QED. Designing and building a 3D circuit QED setup involved the following main accomplishments: producing high quality 3D cavities; designing and installing the cryogenic microwave setup as well as the room temperature amplification and data acquisition circuitry; successfully developing a recipe for the fabrication of Josephson junctions; controlling and measuring superconducting 3D transmon qubits at 10mK. Several qubits were fully characterised and have shown coherence times of several microseconds and relaxation times up to 25&mu;s. Superconducting qubits in fact possess higher energy levels that can provide significant computational advantages in quantum information applications. In experiments performed at MIT, preparation and control of the five lowest states of a transmon qubit was demonstrated, followed by an investigation of the phase coherence and decay dynamics of these higher energy levels. The decay was found to proceed mainly sequentially with relaxation times in excess of 20&mu;s for all transitions. A direct measurement of the charge dispersion of these levels was performed to explore their characteristics of dephasing. This experiment was also reproduced on a 3D transmon fabricated and measured in Oxford, where due to a higher effective qubit temperature a multi-level decay model including thermal excitations was developed to explain the observed relaxation dynamics. Finally, a coaxial transmon, which we name the coaxmon, is presented and measured with a coaxial LC readout resonator and input/output coupling ports placed inline along the third dimension. This novel coaxial circuit QED architecture holds great promise for developing a scalable planar grid of qubits to build a quantum computer.