Thermodynamique de l’Information Quantique avec les Circuits Supraconducteurs – TIQS

Nous proposons de réaliser une série expérience testant la thermodynamique de l'information quantique à l'aide de circuits supraconducteurs.

Motivation :
Depuis l'introduction du démon de Maxwell en 1867, les questionnements successifs de nombreux physiciens comme Szilard, Landauer, Bennett et Feynman sur la thermodynamique des systèmes à mémoire interne ont abouti à la fondation de la thermodynamique de l'information. A ce jour seule l'expérience de Toyabe et al. en 2010 a permis de tester certaines de ses prédictions fondamentales. Nous proposons ici de réaliser des expériences sur les circuits supraconducteurs permettant de tester, pour la première fois, les idées de la thermodynamique de l'information sur des systèmes constitués d'un petit nombre de quanta. Ce programme peut s'entendre comme la réalisation d'un démon de Maxwell dans un système quantique.

Techniques expérimentales :
Nous travaillerons dans le régime micro-onde avec des fréquences de signaux de quelques GHz et des températures de base T<<hf/k ~500mK permettant de contrôler le bruit thermique dans les composants dissipatifs constituant l'environnement de nos circuits. Notre projet nécessite donc la combinaison des techniques de réfrigération à dilution, de mesures de spectre micro-onde ultra-bas bruit, de rétroaction rapide et de nanofabrication de circuits supraconducteurs par lithographie électronique. <br />
Etat de l'art :
Si de nombreuses équipes développent la théorie de la thermodynamique de l'information quantique, aucune expérience n'est en cours de réalisation à notre connaissance sur ce sujet. Nos atouts sont la connaissance détaillée de la physique mésocopique des circuits supraconducteurs, de l'ingénieurie micro-onde ainsi que la fabrication et le contrôle des circuits de jonctions tunnel, système modèle pour cette recherche.

Programme expérimental :
La première expérience consistera à fabriquer et opérer un circuit permettant de manipuler l'entropie de signaux micro-ondes entre différents canaux de manière contrôlée. On pourra ainsi refroidir un champ micro-onde près de son état fondamental malgré une température d'environnement volontairement plus grande que sa fréquence (kT>hf). Le circuit utilisera un réseau de jonctions Josephson en cavité réalisant un convertisseur de fréquence supraconducteur de bande passante adaptée.

La seconde permettra de refroidir un qubit supraconducteur vers son état fondamental en utilisant un démon de Maxwell macroscopique (rétroaction par la mesure) ou en utilisant le circuit précédent pour refroidir le champ vu par le qubit. Cette expérience a des applications directes dans la préparation de l'état de qubits au sein d'un futur ordinateur quantique.

Dans une dernière expérience, nous proposons de réaliser un démon de Maxwell quantique à l'aide de deux qubits supraconducteurs, testant ainsi directement les prédictions de nombreux travaux récents.