Compteur de photon basé sur une mesure dispersive multiplexée

Photon counting with a multiplexed dispersive readout Lorsque l’on utilise un bit quantique (qubit) pour sonder l’état d’un système, la stratégie habituelle consiste à poser une série de questions binaires, chaque question améliorant notre connaissance de l’état du système. Cependant, cette stratégie nécessite de longs temps de mesure lorsque l’on considère un grand système, comme par exemple un résonateur électromagnétique peuplé d’un grand nombre de photons, car chaque question ne peut extraire qu’un bit d’information. Dans cette thèse, nous proposons une nouvelle stratégie qui permet d’obtenir un temps de mesure indépendant de la taille du système. Cette nouvelle approche est basée sur l’utilisation d’un qubit comme routeur, ce qui permet d’encoder l’information sur l’état du système dans les nombreux modes d’une ligne de transmission.Dans le cas d’un détecteur idéal, nous montrons à l’aide d’une expérience de pensée que cette stratégie permet de mesurer le nombre de photons contenu dans une cavité en un temps constant, indépendant de la taille du système. Pour démontrer la faisabilité de cette mesure idéale, nous appliquons cette stratégie à la mesure du nombre de photons contenu dans un résonateur micro-onde couplé dispersivement à un qubit supraconducteur. Dans un premier temps, la fluorescence du qubit est mesurée lorsque ce dernier est sondé à l’aide d’un ton micro-onde monochromatique. L’action en retour de cette mesure dispersive est étudiée, nous démontrons à travers la post-sélection que la fluorescence du qubit encode effectivement le nombre de photons contenu dans le résonateur. Nous mesurons le taux de déphasage induit par la mesure entre deux états de Fock du résonateur et le comparons à un modèle théorique. Ce dernier nous permet alors d’étudier le comportement non-linéaire du taux de déphasage induit par la mesure avec l’amplitude du ton micro-onde.Dans un deuxième temps, la fluorescence du qubit est sondée à l’aide d’un peigne de fréquence. Des mesures hétérodynes multiplexées à tous les tons du peigne de fréquence nous permettent alors de mesurer le nombre de photons contenus dans le résonateur. Cette mesure multiplexée est rendue possible grâce aux récentes améliorations sur la bande passante des amplificateurs limités quantiquement. Le temps de vie du résonateur et une efficacité de mesure limités nous empêchent d'atteindre un rapport signal sur bruit permettant de décoder toute l'information contenue dans notre mesure hétérodyne multiplexée. Cependant, contrairement à une mesure séquentielle, notre approche fournit en parallèle une information partielle sur la population de chaque état de Fock. L’action en retour de cette mesure dispersive multiplexée est étudiée à l’aide de tomographies de Wigner du résonateur. Nous sommes ainsi capables de mesurer le taux de déphasage induit pas la mesure multiplexée et mettons en évidence une amplitude optimale du peigne de fréquence qui maximise le taux de déphasage. Un modèle théorique basé sur l’approximation que le peigne de fréquence est infini nous permet de prédire l’amplitude optimale du peigne, et ce en accord avec l’expérience.