Cette thèse présente le travail expérimental effectué pour observer la dynamique quantique de Zénon (QZD) dans une architecture 'circuit-QED' tridimentionnelle fonctionnant à très basse température. Dans cette architecture, un circuit supraconducteur de type transmon, jouant le rôle d'un atome artificiel, est couplé au champ électromagnétique d'une cavité microonde. Les niveaux d'énergie de l'atome et de la cavité sont alignés d'une nouvelle manière, afin de manipuler les états de Fock individuels de la cavité, tout en minimisant sa non-linearité Kerr induite par le transmon. La dynamique Zénon est obtenue en pilotant classiquement le champ de la cavité, tout en excitant fortement une transition inter-niveaux d'énergie du transmon, conditionnée à un état de Fock particulier. Ce forcage maintient la population de l'état de Fock à zéro, et conduit à la dynamique Zeno. Cette dynamique est observée par mesure de sa fonction de Wigner à intervalles de temps réguliers, soit par tomographie de Wigner, soit par tomographie quantique standard et reconstruction de la matrice densité. Nous observons trois exemples de QZD, et analysons la décohérence observée à l'aide simulations quantiques du système. / This thesis presents experimental work aimed at observing the quantum Zeno dynamics (QZD) in 3D circuit-QED, where an artificial atom, consisting of a superconducting circuit called a transmon, is coupled to the electric field of a microwave cavity resonator. The transmon and resonator energy levels are aligned in a novel way enabling the manipulation of individual Fock states of the cavity, while minimizing its transmon-induced Kerr non-linearity. We induce the QZD by displacing classically the cavity field while continuously driving strongly a transmon transition specific to a particular Fock state, which keeps this Fock state population at zero. The QZD is then observed by measuring the Wigner function of the fields at regular time intervals, either by Wigner tomography or standard quantum tomography and reconstruction of the density matrix. We observe three examples of QZD, and analyze the observed decoherence with the help of quantum simulations of the system.

One of today’s challenges to realise computing based on quantum mechanics is to reliably and scalably encode information in quantum systems. Here, we present a photon source to on-demand deliver photonic quantum bits of information based on a strongly coupled atom-cavity system. The source operates intermittently for periods of up to 100 <i>μ</i>s, with a single-photon repetition rate of 1 MHz, and an intra-cavity production efficiency of up to 85%. Our ability to arbitrarily control the photons’ wavepackets and phase profiles, together with long coherence times of 500 ns, allows to store time-bin encoded quantum information within a single photon. To do so, the spatio-temporal envelope of a single photon is sub-divided in d time bins which allows for the delivery of arbitrary qu-d-its. This is done with a fidelity of > 95% for qubits, and 94% for qutrits verified using a newly developed time-resolved quantum-homodyne measurement technique. Additionally, we combine two separate fields of quantum physics by using our deterministic single-photon source to seed linear optics quantum computing (LOQC) circuits. As a step towards quantum networking, it is shown that this photon source can be combined with quantum gates, namely a chip-integrated beam splitter, a controlled-NOT (CNOT) gate as well as a CNOT4 gate. We use this CNOT4 gate to entangle photons deterministically emitted from our source and observe non-classical correlations between events separated by periods exceeding the travel time across the chip by three orders of magnitude. Additionally, we use time-bin encoded qubits to systematically study the de- and re-phasing of quantum states as well as the the effects of time-varying internal phases in photonic quantum circuits.

Les phénomènes quantiques les plus fondamentaux comme la cohérence quantique et l’intrication sont aujourd'hui explorés pour réaliser de nouvelles technologies. C'est le domaine des technologies quantiques, qui promettent de révolutionner le calcul, la communication et la métrologie. En encodant l'information dans les systèmes quantiques, il serait possible de résoudre des problèmes inaccessibles aux ordinateurs classiques, de garantir une sécurité absolue dans les communications et de développer des capteurs dépassant les limites classiques de précision. Les photons uniques, en tant que vecteurs d'information quantique, ont acquis un rôle central dans ce domaine, car ils peuvent être manipulés facilement et être utilisés pour mettre en œuvre de nombreux protocoles quantiques. Pour cela, il est essentiel de développer des interfaces très efficaces entre les photons et les systèmes quantiques matériels, tels les atomes uniques, une fonctionnalité fondamentale à la fois pour la génération et la manipulation des photons. La réalisation de tels systèmes dans l'état solide permettrait de fabriquer des dispositifs quantiques intégrés et à large échelle. Dans ce travail de thèse, nous étudions l'interface lumière-matière réalisée par une boîte quantique unique, utilisée comme un atome artificiel, couplée de façon déterministe à une cavité de type micropilier. Un tel dispositif s'avère être un émetteur et un récepteur efficace de photons uniques, et il est utilisé ici pour implémenter des fonctionnalités quantiques de base. Tout d'abord, sous une excitation optique résonante, nous montrons comment nos composants sont des sources très brillantes de photons uniques. L’accélération de l'émission spontanée de la boîte quantique dans la cavité et le contrôle électrique de la structure permettent de générer des photons très indiscernables avec une très haute brillance. Cette nouvelle génération de sources de photons uniques peut être utilisée pour générer des états de photons intriqués en chemin appelés états NOON. Ces états intriqués sont des ressources importantes pour la détection de phase optique, mais leur caractérisation optique a été peu étudiée jusqu’à présent. Nous présentons une nouvelle méthode de tomographie pour caractériser les états de NOON encodés en chemin et implémentons expérimentalement cette méthode dans le cas de deux photons. Enfin, nous étudions le comportement de nos composants comme filtres non-linéaires de lumière. L'interface optimale entre la lumière et la boîte quantique permet l'observation d'une réponse optique non-linéaire au niveau d'un seul photon incident. Cet effet est utilisé pour démontrer le filtrage des états Fock à un seul photon à partir d’impulsions classiques incidentes. Ceci ouvre la voie à la réalisation efficace d’interactions effectives entre deux photons dans un système à l’état solide, une étape fondamentale pour surmonter les limitations dues au fonctionnement probabilistes des portes optiques linéaires. / Quantum phenomena can nowadays be engineered to realize fundamentally new applications. This is the field of quantum technology, which holds the promise of revolutionizing computation, communication and metrology. By encoding the information in quantum mechanical systems, it appears to be possible to solve classically intractable problems, achieve absolute security in distant communications and beat the classical limits for precision measurements. Single photons as quantum information carriers play a central role in this field, as they can be easily manipulated and can be used to implement many quantum protocols. A key aspect is the interfacing between photons and matter quantum systems, a fundamental operation both for the generation and the readout of the photons. This has been driving a lot of research toward the realization of efficient atom-cavity systems, which allows the deterministic and reversible transfer of the information between the flying photons and the optical transition of a stationary atom. The realization of such systems in the solid-state gives the possibility of fabricating integrated and scalable quantum devices. With this objective, in this thesis work, we study the light-matter interface provided by a single semiconductor quantum dot, acting as an artificial atom, deterministically coupled to a micropillar cavity. Such a device is shown to be an efficient emitter and receiver of single photons, and is used to implement basic quantum functionalities.First, under resonant optical excitation, the device is shown to act as a very bright source of single photons. The strong acceleration of the spontaneous emission in the cavity and the electrical control of the structure, allow generating highly indistinguishable photons with a record brightness. This new generation of single photon sources can be used to generate path entangled NOON states. Such entangled states are important resources for sensing application, but their full characterizatiob has been scarcely studied. We propose here a novel tomography method to fully characterize path entangled N00N state and experimentally demonstrate the method to derive the density matrix of a two-photon path entangled state. Finally, we study the effect of the quantum dot-cavity device as a non-linear filter. The optimal light matter interface achieved here leads to the observation of an optical nonlinear response at the level of a single incident photon. This effect is used to demonstrate the filtering of single photon Fock state from classical incident light pulses. This opens the way towards the realization of efficient photon-photon effective interactions in the solid state, a fundamental step to overcome the limitations arising from the probabilistic operations of linear optical gates that are currently employed in quantum computation and communication.

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Nous abordons trois sujets concernant la physique des atomes. Le premier sujet présente une nouvelle méthode d'analyse de spectres X des ions d'argon, de soufre et de chlore très chargés (2 à 4 électrons), dans le cadre d'une expérience située à l'Institut Paul Scherrer utilisant un spectromètre à cristal courbe. Elle s'appuie sur la reproduction de l'expérience à l'aide d'une simulation basée sur le tracé de rayons, ce qui permet de reproduire le lien entre spectres et énergies de transitions. Nous expliquons comment l'agencement géométrique des rayons X réfléchis par le cristal donne lieu au raies de transitions détectées. Nous présentons les caractéristiques du spectromètre. Nous expliquons la méthode d'analyse ; nous démontrons que la prise en compte de la répartition d'intensité de la source est essentielle et nous établissons la liste des paramètres critiques entrant en jeu. Enfin, nous établissons la liste des résultats et les comparons aux autres valeurs expérimentales et aux valeurs théoriques. Le second sujet présente la mise en place sur une source à plasma située à Jussieu au Laboratoire Kastler Brossel d'un spectromètre à deux cristaux plans dans le but d'obtenir des valeurs absolues pour les transitions ayant lieu dans des ions très chargés. Nous expliquons le principe fondamental, nous abordons la question de l'analyse des données, nous détaillons ensuite les caractéristiques techniques en présentant les étapes de l'élaboration de ce spectromètre et enfin nous présentons les premiers résultats. Le dernier sujet porte sur les calculs de QED des niveaux d'énergies de l'hydrogène pionique, qui est un atome exotique constitué d'un proton et d'un pion. Le pion est de masse et de taille comparable à celle du proton, et de spin nul. C'est également un hadron, c'est-à-dire une particule capable d'interagir avec le proton via l'interaction forte. Nous expliquons comment la détermination théorique de la contribution électromagnétique aux niveaux d'énergies, associée aux résultats expérimentaux obtenus à l'institut Paul Scherrer permet de déduire les valeurs des longueurs de diffusions hadroniques, pour lesquelles les prévisions théoriques issues de différents points de vues sont en désaccord. Nous présentons ensuite les calculs où les particularités du système entrent en jeu et enfin nous illustrons l'influence de nos résultats sur les valeurs des longueurs de diffusions.

Diese Doktorarbeit beschäftigt sich mit theoretischen Aspekten der Wellenleiterelektrodynamik (WQED), also mit der Wechselwirkung von Materie und Licht, welches nur in einer Dimension propagieren kann. Dieses Forschungsfeld erfreut sich seit seiner Entstehung in den 1990er Jahren wachsender Beliebtheit, der Grund hierfür sind die mannigfaltigen Anwendungsmöglichkeiten, beispielsweise bei der Konstruktion von Quantencomputern als auch von klassischen Computern. Auch Vorschläge für sogenannte Pump-Probe-Experimente auf der Basis der WQED sind Gegenstand der aktuellen Forschung.\\ All diese Gebiete sind darauf angewiesen, die zugrunde liegenden Prinzipien zu verstehen, diese Arbeit soll einen Beitrag dazu leisten. Hierzu haben wir einen Formalismus entwickelt, der auf Feynman-Diagrammen fußt. Das erste physikalische Modellsystem, welches hiermit untersucht wurde, besteht aus einem 1D-Wellenleiter und einem daran gekoppelten Zwei-Nievau-Atom (ZNA). Dies erlaubte uns, bekannte Rechnungen physikalisch transparenter und mathematisch kompakter zu reproduzieren und auf beliebige Disperisonsrelationen zu erweitern. Wir nachweisen, dass die Näherung einer linearen Dispersion in vielen Fällen unzureichend ist, um bestimmte interessante Effekte (beispielsweise gebundene Atom-Photon-Zustände) zu verstehen. Im zweiten Teil der Arbeit wurde das System um ein zweites ZNA erweitert, was zum Auftreten von Fluktuationskräften führt. Diese wurden anhand des Beispiels der Förster Energie untersucht, welche den strahlungsfreien Anteil des Energietransfers beschreibt. Es wurde nachgewiesen, dass dies für unser Modellsystem im Rahmen der RWA der einzig relevante Anteil ist und ausserdem nur für beschränkte Dispersionsrelationen existiert. Wir konnten zeigen, dass sowohl die Stärke als auch die Form der zugehörigen Potentiale stark vom Anfangszustand des Systems abhängt. Dies eröffnet interessante Perspektiven für die Erzeugung maßgeschneiderter Kraftprofile zwischen beiden Atomen. / This PhD Thesis deals with the theoretical aspects of the so called waveguide quantum electrodynamics (WQED). This part of physics deals with the interaction of matter and light which is confined to just one spatial dimension. This area of science experiences growing importance since its formation in the 1990s. The main reason for this are the diverse application possibilities such as the construction of quantum computers as well as classical computers on an optical basis. Furthermore pump-probe experiments using WQED are a promising direction of current research. All this topics are relying on a exact understanding of the underlying physical processes and this thesis shall make a contribution to this. For this purpose we developed a formalism, which relies on Feynman diagrams. The first model system which was investigated in this context consists of a 1D optical waveguide coupled to a two level system (TLS). We where able to reproduce many known results in a physically more transparent and mathematically more compact fashion. Furthermore we generalized this results to arbitrary dispersion relation and showed that the approximation of a linear dispersion is insufficient to describe many physical effects, like atom-photon bound states for example.\\ In the second part of this work we generalized the model system by adding an additional TLS, which supports the occurrence of fluctuation forces. Those where investigated in great detail at the example of the Förster energy, which describes the radiationless part of energy fluctuations. It was shown that this is the only relevant contribution as long as the RWA is valid and only occurs for bounded dispersion relations. We proved that the strength as well as the shape of the corresponding potential strongly depends on the initial state of the system, which opens interesting perspectives for the creation of tailored force profiles between both atoms. All calculations where done analytically as well as numerically.

Au cours des dernières années, le domaine de l'interaction lumière-matière a fait un pas de plus en avant avec l'avènement des qubits supraconducteurs couplés ultra-fortement à des guides d'ondes ouverts. Dans ce contexte, un qubit devient simultanément couplé à de nombreux modes du guide d'onde, se transformant ainsi en un objet hybride lumière-matière hautement intriqué. L'étude de nouveaux phénomènes dynamiques qui émergent de la grande complexité de ces systèmes quantiques à N-corps est l'objectif principal de cette thèse.Dans une première étape cruciale, nous abordons l'évolution dans le temps d'un tel système en utilisant une nouvelle technique numérique basée sur un développement complet du vecteur d'état en termes d'états cohérents multimodes. Inspirée par des approches semi-classiques antérieures, cette technique numériquement exacte fournit un progrès important par rapport aux méthodes de pointe qui ont été utilisées jusqu'à présent pour étudier le régime de couplage ultra-fort à N-corps. Fondamentalement, cette approche préserve également le détail de la dynamique du système complet réunissant le guide d'onde et le qubit, permettant à la fois d'effectuer la tomographie et d'extraire la diffusion multi-particule des degrés de liberté du guide d'onde.Une exploration du régime de couplage ultra-fort multi-mode utilisant cette nouvelle technique a conduit aux deux prédictions théoriques fondamentales de cette thèse. La première démontre que le rayonnement émis spontanément par un qubit excité prend la forme d'un chat de Schrödinger de lumière, un résultat étonnamment différent de l'émission de photon unique habituelle en optique quantique. La seconde prédiction concerne la diffusion de signaux cohérents de faible puissance sur un qubit, un protocole expérimental très courant en laboratoire. De façon remarquable, il est montré que la non-linéarité du qubit, transférée au guide d'onde par l'interaction ultra-forte avec la lumière, est capable de diviser les photons du faisceau entrant en plusieurs photons de plus basse énergie, conduisant à l'émergence d'un continuum basse fréquence dans le spectre de puissance, qui domine le signal hors-résonant. En étudiant la fonction de corrélation de second ordre dans le champ rayonné, il est également démontré que l'émission en couplage ultra-fort présente des signatures caractéristiques de la production de particules.Dans la dernière partie de la thèse, la fonction de corrélation de second ordre est à nouveau étudiée, mais cette fois expérimentalement, et dans le régime du couplage modéré. Bien que les mesures soient encore préliminaires, cette partie de la thèse présente un compte-rendu instructif de la théorie de la mesure du signal et permet de comprendre en détail la procédure expérimentale impliquée dans la mesure des signaux quantiques. De plus, à l'avenir, les développements expérimentaux et les outils de simulation décrits pourraient être appliqués aux signaux émis par des qubits ultra-fortement couplés, afin d'observer les signatures de production de particules révélées par la fonction de corrélation du second ordre. / In the recent years, the field of light-matter interaction has made a further stride forward with the advent of superconducting qubits ultra-strongly coupled to open waveguides. In this setting, the qubit becomes simultaneously coupled to many different modes of the waveguide, thus turning into a highly intricate light-matter object. Investigating the wealth of new dynamical phenomena that emerge from the high complexity of these engineered quantum many-body systems is the main objective of this thesis.As a first crucial step, we tackle the time-evolution of such a non-trivial system using a novel numerical technique based on an expansion of the full state vector in terms of multi-mode coherent states. Inspired by earlier semi-classical approaches, this numerically exact method provides an important advance compared to the state-of-the-art techniques that have been used so far to study the many-mode ultra-strong coupling regime. Crucially, it also keeps track of every detail of the dynamics of the complete qubit-waveguide system, allowing both to perform the tomography and to extract multi-particle scattering of the waveguide degrees of freedom.An exploration of the many-mode ultra-strong coupling regime using this new technique led to the two core theoretical predictions of this thesis. The first demonstrates that the radiation spontaneously emitted by an excited qubit takes the form of a Schrödinger cat state of light, a result strikingly different from the usual single-photon emission known from standard quantum optics. The second prediction concerns the scattering of low-power coherent signals on a qubit, a very common experimental protocol performed routinely in laboratories. Most remarkably, it is shown that the qubit non-linearity, transferred to the waveguide through the ultra-strong light-matter interaction, is able to split photons from the incoming beam into several lower-energy photons, leading to the emergence of a low-frequency continuum in the scattered power spectrum that dominates the inelastic signal. By studying the second-order correlation function of the radiated field, it is also shown that emission at ultra-strong coupling displays characteristic signatures of particle production.In the final part of the thesis, the second-order correlation function is investigated again, but this time experimentally, and in the regime of moderate coupling. Although the results are still preliminary, this part of the thesis will provide an instructive account of signal measurement theory and will allow to understanding in-depth the experimental procedure involved in measuring quantum microwave signals. Moreover, the experimental developments and microwave simulations tools described in this section could be applied in the future to signals emitted by ultra-strongly coupled qubits, in order to observe the signatures of particle production revealed by the second-order correlation function.

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.

Dans ce travail de thèse, nous présentons quatre expériences, portant soit sur l'étude d'ions lourds hydrogenoïdes ou héliumoïdes, soit sur celle d'atomes exotiques, et qui se sont déroulées au Gesellschaft für Scherionenforchung (GSI) et à l'Institut Paul Scherrer (PSI).<br /><br />Dans la première partie de ce manuscrit, nous décrivons, tout d'abord, un spectromètre à cristal courbe et en transmission, couplé à un détecteur germanium sensible en position. Cet ensemble, dédié à la mesure de l'énergie de photons X entre 50 et 100 keV et qui est destiné à être monté sur l'accélérateur du GSI, nous permettra, dans les années avenirs, de gagner un ordre de grandeur sur la précision de la mesure du déplacement de Lamb du niveau fondamental de l'uranium hydrogénoïde, afin de tester la QED en champ coulombien fort. Ensuite, nous détaillons une expérience qui nous permettra de donner bientôt une nouvelle valeur de la masse du pion chargé avec une incertitude relative de 1 ppm. Elle est basée sur une spectroscopie X de l'azote pionique, effectuée au PSI. Pour celle-ci nous utilisons un montage composé d'une trappe anticyclotronique, d'un spectromètre de Bragg en réflexion, possédant un cristal sphérique et d'un détecteur CCD refroidit. Ce dispositif permet également de tester la QCD et la théorie des perturbations chirales, par une mesure des transitions radiatives de l'hydrogène pionique.<br /><br />La seconde partie est consacrée à une description d'une mesure la durée de vie d'un niveau métastable de l'or héliumoïde, grâce à une expérience de temps de vol, qui se déroule au GSI. Nous donnons, pour la toute première fois pour un Z si élevé, une valeur précise de cette durée de vie, qui constitue un test important de la théorie relativiste à n-corps.

<p>Strong coupling between light and matter has been demonstrated both in classical</p><p>cavity quantum electrodynamics (QED) systems and in more recent circuit-QED</p><p>experiments. This enables the generation of strong nonlinear photon-photon interactions</p><p>at the single-photon level, which is of great interest for the observation</p><p>of quantum nonlinear optical phenomena, the control of light quanta in quantum</p><p>information protocols such as quantum networking, as well as the study of</p><p>strongly correlated quantum many-body systems using light. Recently, strong</p><p>coupling has also been realized in a variety of one-dimensional (1D) waveguide-</p><p>QED experimental systems, which in turn makes them promising candidates for</p><p>quantum information processing. Compared to cavity-QED systems, there are</p><p>two new features in waveguide-QED: the existence of a continuum of states and</p><p>the restricted 1D phase space, which together bring in new physical effects, such</p><p>as the bound-state effects. This thesis consists of two parts: 1) understanding the</p><p>fundamental interaction between local quantum objects, such as two-level systems</p><p>and four-level systems, and photons confined in the waveguide; 2) exploring</p><p>its implications in quantum information processing, in particular photonic</p><p>quantum computation and quantum key distribution.</p><p>First, we demonstrate that by coupling a two-level system (TLS) or three/fourlevel</p><p>system to a 1D continuum, strongly-correlated photons can be generated</p><p>inside the waveguide. Photon-photon bound states, which decay exponentially as a function of the relative coordinates of photons, appear in multiphoton scattering</p><p>processes. As a result, photon bunching and antibunching can be observed</p><p>in the photon-photon correlation function, and nonclassical light source can be</p><p>generated on demand. In the case of an N-type four-level system, we show</p><p>that the effective photon-photon interaction mediated by the four-level system,</p><p>gives rise to a variety of nonlinear optical phenomena, including photon blockade,</p><p>photon-induced tunneling, and creation of single-photon states and photon</p><p>pairs with a high degree of spectral entanglement, all in the absence of a cavity.</p><p>However, to enable greater quantum networking potential using waveguide-</p><p>QED, it is important to study systems having more than just one TLS/qubit.</p><p>We develop a numerical Green function method to study cooperative effects in</p><p>a system of two qubits coupled to a 1D waveguide. Quantum beats emerge in</p><p>photon-photon correlations, and persist to much longer time scales because of</p><p>non-Markovian processes. In addition, this system can be used to generate a</p><p>high-degree of long-distance entanglement when one of the two qubits is driven</p><p>by an on-resonance laser, further paving the way toward waveguide-QED-based</p><p>quantum networks.</p><p>Furthermore, based on our study of light-matter interactions in waveguide-</p><p>QED, we investigate its implications in quantum information processing. First,</p><p>we study quantum key distribution using the sub-Possonian single photon source</p><p>obtained by scattering a coherent state off a two-level system. The rate for key</p><p>generation is found to be twice as large as for other sources. Second, we propose</p><p>a new scheme for scalable quantum computation using flying qubits--propagating</p><p>photons in a one-dimensional waveguide--interacting with matter qubits. Photonphoton</p><p>interactions are mediated by the coupling to a three- or four-level system,</p><p>based on which photon-photon -phase gates (Controlled-NOT) can be implemented for universal quantum computation. We show that high gate fidelity is</p><p>possible given recent dramatic experimental progress in superconducting circuits</p><p>and photonic-crystal waveguides. The proposed system can be an important</p><p>building block for future on-chip quantum networks.</p> / Dissertation