Comment s’organisent les tourbillons quantiques dans un gaz en rotation rapide ?
Le groupe BEC au LPL a récemment étudié un superfluide en rotation, en utilisant des atomes ultra-froids de rubidium formant un condensat de Bose-Einstein. Lorsqu’il est mis en rotation, le superfluide est traversé par un ensemble de petits tourbillons quantiques qui s’organisent en un réseau régulier, comme les tomettes d’un sol carrelé. Nos collègues ont mis en évidence pour la première fois la façon dont ce réseau fond, passant de solide à liquide sous l’influence des fluctuations thermiques.
Contrôle quantique d’un qubit de chat avec des temps de bit-flip dépassant dix secondes
L’équipe QUANTIC (LPENS – Mines – INRIA), en collaboration avec la start-up Alice & Bob, a démontré des opérations quantiques sur un qubit très stable : son temps de bit-flip mesuré dépasse les 10 secondes.
Les interactions non contrôlées d’un système quantique avec son environnement, connues sous le nom de décohérence, continuent d’induire trop d’erreurs sur les qubits, bloquant ainsi le déploiement de machines quantiques.
Une stratégie prometteuse consiste à construire des qubits qui sont intrinsèquement protégés contre certains types d’erreurs. Ces qubits sont connus sous le nom de « qubits à bruit biaisé ». La promesse fondamentale est que si un qubit est presque parfaitement protégé au niveau matériel contre un type d’erreur (par exemple, les bit-flips), alors l’exigence matérielle pour se protéger contre l’autre type d’erreur (par exemple, les phase-flips) est considérablement moins exigeante.
Cependant, le gain prévu repose sur une condition sévère : les manipulations quantiques du qubit ne doivent pas rompre la protection qui a été si soigneusement conçue au niveau matériel. Si cette condition n’est pas respectée, l’avantage des qubits à bruit biaisé est perdu.
Dans cette expérience, nous avons mis en œuvre un tel qubit, appelé qubit de chat. Il est encodé dans un oscillateur supraconducteur doté d’une dissipation à deux photons. Nous montrons que notre qubit de chat maintient un temps de bit-flip supérieur à dix secondes – une amélioration de 10000 fois par rapport aux mises en œuvre précédentes – tout en contrôlant la phase des états de superposition quantique.
Cette expérience démontre la compatibilité du contrôle quantique et de la protection inhérente contre les bit-flips à un niveau sans précédent, montrant la viabilité des qubits à bruit biaisé pour les futures technologies quantiques.
Comment avons-nous obtenu ce résultat ?
L’implémentation expérimentale du qubit de chat est restée bloquée au niveau de la milliseconde pour les temps de bit-flip. C’est beaucoup plus court que les échelles de temps macroscopiques attendues et nécessaires pour épargner totalement la nécessité d’une protection active contre les bit-flips.
Des preuves croissantes ont incriminé le circuit de sondage : un qubit Transmon, pour avoir rompu la protection contre les bit-flips. Retirer ou remplacer le Transmon était un défi de taille car cela nécessitait d’inventer un nouveau protocole de tomographie quantique.
C’est précisément ce qui a été réalisé dans cette expérience. En effet, notre protocole sans Transmon ne nécessite aucun élément de circuit supplémentaire. Au lieu de cela, il exploite la non-linéarité déjà présente dans le qubit de chat pour mesurer les observables quantiques.
Cela nous a conduit à une amélioration de quatre ordres de grandeur des temps de bit-flip, établissant une limite ultra-basse (centaines de milliHertz) sur le taux de bit-flip induit par le contrôle cohérent du qubit.
Notre qubit – le qubit de chat – est encodé dans un oscillateur supraconducteur. Les deux états du qubit sont des états cohérents de même nombre de photons et de phases opposées. La colonne de gauche affiche les fonctions de Wigner mesurées de l’état de superposition quantique pour des nombres de photons croissants. La colonne du milieu affiche les oscillations quantiques mesurées de la phase de ces superpositions, démontrant ainsi notre capacité à contrôler l’état quantique de notre qubit. Enfin, la colonne de droite démontre la stabilité exceptionnelle de notre qubit de chat : son temps de bit-flip dépasse 10 secondes pour les états de plus grand nombre de photons.
Single-electron spin resonance detection by microwave photon counting
Paramagnetic defects in solids are detected and studied by Electron Paramagnetic Resonance (EPR) spectroscopy, a 80-year old technique. Despite its wide range of applications (chemistry, biology, materials science, …), EPR spectroscopy suffers from a low sensitivity, and can only detect large ensembles of spins, with a spectral resolution limited by inhomogoneous broadening. The Quantronics group at CEA Saclay has recently developed a new method for EPR spectroscopy with single spin sensitivity. The method (described in Fig1 left) consists in coupling magnetically the spin to a planar, micron-scale superconducting microwave resonator, which resonantly enhances its radiative decay rate from the spin excited stae back into its ground state. The spin is excited by a microwave pule, and the microwave photon emitted upon radiative relaxation is detected by a microwave photon counter based on a superconducting qubit, developed in the team. We have demonstrated the method to erbium ions in a scheelite crystal of CaWO4. A typical spin fluorescence curve, showing the count rate as a function of the time after the pulse, is visible in the inset of Fig1 right, showing the spin relaxation in a time ms. Integrating the number of counts for 2ms yields the total number of counts , which is shown as a function of the magnetic field (Figure right). Every time one Erbium ion is resonant with the resonator, a sharp peak is observed. The curve therefore is the first EPR spectrum where the inhomogeneous ensemble line is resolved into its single spin constituents. The method requires low temperatures (10mK), but is applicable to a large class of paramagnetic centers ; it may find applications in EPR spectroscopy as well as quantum computing.
You can find the whole article in the journal Nature.
Figure: Single-spin spectroscopy by microwave photon counting (Image credits: P. Bertet, Quantronics group, SPEC).[
Deterministic Free-Propagating Photonic Qubits with Negative Wigner Functions
Engineering quantum states of free-propagating light is of paramount importance for quantum technologies. Coherent states ubiquitous in classical and quantum communications, squeezed states used in quantum sensing, and even highly-entangled cluster states studied in the context of quantum computing can be produced deterministically, but they obey quasi-classical optical field statistics described by Gaussian, positive Wigner functions. Fully harnessing the potential of many quantum engineering protocols requires using non-Gaussian Wigner-negative states, so far produced using intrinsically probabilistic methods. Here we describe the first fully deterministic preparation of non-Gaussian Wigner-negative free-propagating states of light, obtained by mapping the internal state of an intracavity Rydberg superatom onto an optical qubit encoded as a superposition of 0 and 1 photons. This approach allows us to reach a 60% photon generation efficiency in a well-controlled spatio-temporal mode, while maintaining a strong photon antibunching. By changing the qubit rotation angle, we observe an evolution from quadrature squeezing to Wigner negativity. Our experiment sets this new technique as a viable method to deterministically generate non-Gaussian photonic resources, lifting several major roadblocks in optical quantum engineering.
Atom interferometer driven by a picosecond frequency comb
Light-pulse atom interferometry, where light pulses are used as atom beam splitters, has led to extremely sensitive and accurate quantum sensors that can be used to perform very stringent tests of fundamental physics such as: testing the equivalence principle, detecting gravitational waves, probing short-range forces or measuring fundamental constants (e.g. Newton’s gravitational constant or the fine-structure constant). Until recently, light-pulse atom interferometry had only exploited continuous-wave (cw) laser sources. We have recently demonstrated atom interferometers where the beam splitters are realized with pulsed lasers, or more specifically frequency-comb lasers. This technique, which we obtained in the visible spectrum on rubidium (Rb) atoms, paves the way for extending light-pulse interferometry to other wavelengths (e.g. deep-UV to X-UV) and therefore to new species, since one can benefit from the high peak intensity of the ultrashort pulses which makes frequency conversion in nonlinear media efficient.
You can find the whole article on arXiv and in the PRL journal. The article was selected as PRL Editor’s suggestion.
The article led to a focus story in Physics that you can read here.
Image credits : C. Solaro, LKB, Sorbonne University.
Supersonic rotation of a superfluid: a long-lived dynamical ring
The recent results of the BEC group were published in Physical Review Letters this January 2020. The letter presents the experimental realization of a long-lived supefluid flow of a quantum gas rotating in an anharmonic potential, sustained by its own angular momentum. The gas is set into motion by rotating an elliptical deformation of the trap. An evaporation selective in angular momentum yields an acceleration of rotation until the density vanishes at the trap center, resulting in a dynamical ring with with 350 hbar of angular momentum per particle. The density profile of the ring corresponds to the one of a quasi two-dimensional supefluid, with a linear velocity reaching Mach 18 and a rotation lasting more than a minute.
Here you can find the whole article in arXiv and in the PRL journal.The article was selected as an Editor’s suggestion by PRL.
The article gave place to a synopsis by APS. You can read the whole synopsis here.
Experimental density profile of the angular superfluid rotating at supersonic speed (Mach 15 for these data).