Quantum Trajectories with Incompatible Decoherence Channels
Trajectoires Quantiques avec Canaux de Décohérence Incompatibles
Résumé
In contrast with its classical version, a quantum measurement necessarily disturbs the
state of the system. The projective measurement of a spin-1/2 in one direction maximally
randomizes the outcome of a following measurement along a perpendicular direction.
In this thesis, we discuss experiments on superconducting circuits that allow us to
investigate this measurement back-action. In particular, we measure the dynamics of
a superconducting qubit whose three Bloch x, y and z components are simultaneously
recorded.
Two recent techniques are used to make these simultaneous recordings. The x and
y components are obtained by measuring the two quadratures of the fluorescence field
emitted by the qubit. Conversely, the z component is accessed by probing an offresonant
cavity dispersively coupled to the qubit. The frequency of the cavity depends
on the energy of the qubit and the strength of this last measurement can be tuned
from weak to strong in situ by varying the power of the probe. These observations are
enabled by recent advances in ultra-low noise microwave amplification using Josephson
circuits. This thesis details all these techniques, both theoretically and experimentally,
and presents various unpublished additional results.
In the presence of the simultaneous measurements, we show that the state of the
system diffuses inside the sphere of Bloch by following a random walk whose steps obey
the laws of the backaction of incompatible measurements. The associated quantum
trajectories follow a variety of dynamics ranging from diffusion to Zeno blockade. Their
peculiar dynamics highlights the non-trivial interplay between the back-action of the
two incompatible measurements. By conditioning the records to the outcome of a final
projective measurement, we also measure the weak values of the components of the
qubit state and demonstrate that they exceed the mean extremal values. The thesis
discusses in detail the statistics of the obtained trajectories.
Au contraire de sa version classique, une mesure quantique perturbe nécessairement
l’état du système. Ainsi, la mesure projective d’un spin-1/2 selon une direction rend
parfaitement aléatoire le résultat d’une mesure successive de la composante du même
spin le long d’un axe orthogonal. Dans cette thèse, nous discutons des expériences
basées sur les circuits supraconducteurs qui permettent de mettre en évidence cette
action en retour de la mesure. Nous mesurons en particulier la dynamique d’un qubit
supraconducteur dont on révèle simultanément les trois composantes de Bloch x, y et
z.
Deux techniques récentes sont utilisées pour réaliser ces enregistrements simultanés.
Les composantes x et y sont obtenues par la mesure des deux quadratures du champ de
fluorescence émis par le qubit. La composante z est quant à elle obtenue en sondant une
cavité non résonante couplée de manière dispersive au qubit. La fréquence de la cavité
dépend de l’énergie du qubit et la force de cette dernière mesure peut être ajustée in situ
en faisant varier la puissance de la sonde. Ces observations sont rendues possibles grâce
aux avancées récentes dans l’amplification ultrabas bruit des signaux micro-onde grâce
aux circuits Josephson. Cette thèse détaille toutes ces techniques à la fois théoriquement
et expérimentalement et présente différents résultats annexes inédits.
En présence des mesures simultanées, nous montrons que l’état du système diffuse à
l’intérieur de la sphère de Bloch en suivant une marche aléatoire dont les pas obéissent
aux lois de l’action en retour de mesures incompatibles. Les trajectoires quantiques
associées ont des dynamiques allant du régime diffusif au régime de blocage de Zénon
soulignant l’interaction non-triviale des actions en retours des deux mesures incompatibles
effectuées. En conditionnant les enregistrements aux résultats d’une mesure
projective finale, nous mesurons également les valeurs faibles des composantes de notre
qubit et démontrons qu’elles dépassent les valeurs extrémales moyennes. La thèse discute
en détail de la statistique des trajectoires obtenues.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
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