4.4 Exemples de simulations
4.4.5 Calcul de fonction Q et de Wigner
Finalement, un dernier exemple est le calcul de la fonction Q ou de la fonction de Wigner qui correspond `a la matrice densit´e d’un oscillateur harmonique. Ces fonctions peuvent ˆetre calcul´ees avec SQUACK grˆace aux fonctions computeQFunction() et com-puteWignerFunction() tel que montr´e dans l’extrait de code 4.8.
Code 4.8 – Exemple de calcul de fonction Qet de Wigner - demo/demo exe simple.cpp
70 vector<vector<Point3D> >F;
71 computeQFunction(F,ho,ho.rho state fock(1),grid);
72 computeWignerFunction(F,ho,ho.rho state fock(1),grid);
Ces deux fonctions re¸coivent en param`etre d’entr´ee un vecteur bidimensionnel d’objets Point3D. Ces objets sont de simples structures contenant les coordonn´ees x, y etz d’un point en trois dimensions. La fonction Q ou la fonction de Wigner est alors calcul´ee pour tous les x et y sur une grille de taille et de pas d´efinis dans le plan complexe.
L’initialisation de la grille est illustr´ee dans le code complet `a l’annexe D. Apr`es l’appel de la fonctioncomputeQFunction() oucomputeWignerFunction(), on peut alors acc´eder `a la coordonn´eex,youz des fonctions via le vecteur bidimensionnel avecF[i][j].x,F[i][j].y, ouF[i][j].z o`u i etj sont les indices des sites de la grille.
Chapitre 5
Mod` ele r´ eduit
It can scarcely be denied that the supreme goal of all theory is to make the irreducible basic elements as simple and as few as possible without having to surrender the adequate representation of a single datum of experience.
— Albert Einstein [125]
Cette phrase a ´et´e ´enonc´ee par Einstein en 1933 lors d’un s´eminaire Herbert Spencer
`a Oxford avant que le texte du s´eminaire soit publi´e dans le journalPhilosophy of Science en 1934 [125]. Einstein parlait ´evidemment ici de la recherche d’une th´eorie fondamen-tale compos´ee d’aussi peu d’´el´ements que possible qui permettrait d’expliquer toutes les exp´eriences. Ainsi, il s’agissait de partir de quelques ´el´ements simples pour arriver `a une th´eorie compl`ete de la physique moderne.
Je trouve que cette phrase explique tout aussi bien le processus inverse que je poursuis dans ce chapitre, soit de partir du mod`ele d´ecrivant le syst`eme complet r´esonateur plus qubit et d’arriver `a un mod`ele r´eduit plus simple. L’objectif dans ce chapitre est ainsi de d´evelopper un mod`ele r´eduit qui permette de d´ecrire d’un cˆot´e la dynamique du qubit et de l’autre cˆot´e celle du champ du r´esonateur. J’obtiens ce mod`ele dans le but de repr´esen-ter les r´esultats exp´erimentaux obtenus en particulier par le groupe de quantronique du CEA-Saclay pr´esent´es partiellement dans l’article [75] et que j’explorerai plus en d´etail au chapitre 6. Ce sont ces r´esultats qui ont motiv´e l’´elaboration du mod`ele et c’est `a eux que je le comparerai ultimement. Pour cette comparaison, je veux conserver le maximum d’information sur les effets du qubit sur le r´esonateur et vice-versa, poursuivant l’id´ee
93
94 Chapitre 5 : Mod`ele r´eduit d’Einstein que tout devrait ˆetre rendu aussi simple que possible, mais sans plus, de sorte
`a bien repr´esenter toutes les donn´ees exp´erimentales.
Pour ce faire, j’utiliserai les diff´erentes transformations unitaires pr´esent´ees `a la sec-tion 3.1 ainsi que l’´eliminasec-tion adiabatique pr´esent´ee `a la secsec-tion 3.2. Cependant, puisque la plupart de ces transformations ne peuvent ˆetre calcul´ees qu’approximativement, `a chaque ´etape, on perdra une partie de l’information. Il est donc important de consid´erer l’ordre dans lequel on applique les transformations afin de ne pas perdre d’informations importantes. Ainsi, apr`es avoir rappel´e le mod`ele initial `a partir duquel on veut obtenir le mod`ele r´eduit `a la section 5.1, j’expliquerai `a la section 5.2 les points `a consid´erer pour d´eterminer l’ordre dans lequel les transformations doivent ˆetre appliqu´ees. Je d´etaillerai ensuite les ´etapes menant au mod`ele r´eduit dans les sections suivantes.
5.1 Mod` ele initial
Tel que pr´esent´e au chapitre 2 et illustr´e `a la figure 2.5 de la page 36, le syst`eme auquel on s’int´eresse est constitu´e d’un qubit supraconducteur `a plusieurs niveaux coupl´e par une interaction dipolaire `a un r´esonateur coplanaire rendu non lin´eaire par l’insertion d’un
´el´ement Josephson dans le conducteur central. Ce syst`eme est d´ecrit par l’hamiltonien
Hs=Hq+Hr+HI +Hd, (5.1)
o`u les diff´erents hamiltoniens sont donn´es au chapitre 2 et repris ci-dessous Hq =
M−1
X
i=0
ωiΠi,i≡Πω, (5.2a)
Hr =ωra†a+ K
2 a†2a2+K0
3 a†3a3, (5.2b)
HI =
M−2
X
i=0
gi(a†+a)(Πi,i+1+ Πi+1,i), (5.2c)
Hd=X
d
d(t)e−iωdta†+∗d(t)eiωdta, (5.2d) o`u Πi,j =|ii hj| pour les ´etats {|ii} du qubit, d est l’amplitude du signal d’excitation d
`a la fr´equence ωd, K et K0 sont les constantes Kerr du r´esonateur, ωr est la fr´equence du r´esonateur, ωi sont les fr´equences de transition du qubit, Πx ≡PM−1
i=0 xΠi,i et M est
§5.1. Mod`ele initial 95 le nombre de niveaux du qubit. On permettra `a l’un des signaux d’excitation {d} — le signal de spectroscopie s — d’ˆetre `a une fr´equence proche de celle d’une des transitions du qubit ωd=s ∼ ωi+1,i alors que tous les autres signaux sont `a des fr´equences ´eloign´ees des fr´equences de transition du qubit et ´eloign´ees les unes des autres. On supposera aussi que les param`etres placent le syst`eme dans le r´egime dispersif o`u |ωi+1,i−ωr| |gi|.
Pour mod´eliser la dissipation dans le syst`eme, on consid`erera quatre canaux de dissi-pation. Les trois principaux sont la perte de photons du r´esonateur `a un taux κ=ωr/Q o`u Q est le facteur de qualit´e du r´esonateur, la relaxation du qubit `a un taux γ et le d´ephasage du qubit `a un taux γϕ. Par soucis de g´en´eralit´e, on ajoute aussi un canal de dissipation du r´esonateur par lequel deux photons peuvent ˆetre perdus `a la fois, `a un taux κNL, qui peut ˆetre pr´esent dans les syst`emes ayant une non-lin´earit´e Kerr [79]. Ce-pendant, comme il n’y avait pas d’´evidence que ce type de processus soit pr´esent pour les r´esultats exp´erimentaux utilis´es comme base de comparaison pour cette th`ese, κNL sera fix´e `a z´ero pour toutes les comparaisons ainsi que pour les simulations num´eriques. En consid´erant ces canaux de dissipation, l’´equation maˆıtresse du syst`eme prend la forme
˙ Cette ´equation maˆıtresse peut ˆetre obtenue en suivant la m´ethode d´ecrite `a l’annexe B.
En ´ecrivant cette ´equation maˆıtresse, j’ai fait plusieurs suppositions. J’ai d’abord suppos´e que le d´ephasage du qubit est dˆu au bruit dans un param`etre de contrˆole X qui cause des fluctuations dans les fr´equences du qubit. L’amplitude de ces fluctuations est reli´ee `a la susceptibilit´e du niveau i normalis´ee `a celle du premier niveau excit´e i= 1
εi = ∂(ωi−ω0)
Le param`etre X pourrait par exemple ˆetre la charge de grille ng dans le cas d’une boˆıte de Cooper, ou encore le flux Φ `a l’int´erieur du SQUID d’un transmon [89]. Ce mod`ele ph´enom´enologique du d´ephasage peut ˆetre remplac´e par un mod`ele microscopique im-pliquant une interaction du type σ−σ+b†b, c’est-`a-dire une interaction o`u un quanta est
´echang´e deux fois avec un bain, perdant l’information de phase dans le processus. Une telle description th´eorique a ´et´e donn´ee par Carmichael [60]. Bien que plus satisfaisante, cette approche microscopique donne les mˆemes r´esultats que l’approche d’un param`etre
96 Chapitre 5 : Mod`ele r´eduit
de contrˆole fluctuant. J’ai aussi suppos´e que le bruit qui cause la relaxation du qubit se couple `a celui-ci de la mˆeme fa¸con que le r´esonateur, soit par une interaction dipo-laire de sorte que le taux de relaxation γi pour la transition |i+ 1i → |ii est tel que γi/γ0 =|gi/g0|2.
J’ai enfin suppos´e que le spectre de bruit des diff´erents canaux est blanc. Cette ap-proximation peut ˆetre relax´ee en demandant que le bruit soit localement blanc —
c’est-`a-dire blanc seulement sur des intervalles de fr´equences suffisamment grands autour de chacune des fr´equences de transition [115,127] — plutˆot que globalement blanc. On ob-tient alors la mˆeme ´equation maˆıtresse, sauf que les taux de relaxation des diff´erents niveaux du qubit d´ependent du bruit autour de chacune des fr´equences de transition. Ce-pendant, mˆeme cette contrainte relˆach´ee est insuffisante pour une bonne description du d´ephasage. En effet, le d´ephasage est dˆu au bruit `a basse fr´equence (puisqu’il n’implique pas d’´echange d’´energie), qui est g´en´eralement un bruit en 1/f. Puisque le spectre du bruit diverge, il ne peut pas ˆetre consid´er´e mˆeme comme localement blanc. Il faut alors ˆetre plus prudent lors du calcul du taux de d´ephasage en tenant compte du spectre du bruit. Ceci a ´et´e fait pour un qubit `a deux niveaux [153] ainsi que pour le d´ephasage des deux premiers niveaux du transmon [89]. N´eanmoins, dans le cadre de cette th`ese, on s’int´eressera seulement aux deux premiers niveaux du transmon et la mod´elisation ci-dessus sera suffisante.