Thèse Détection Quantique Exploitant des États Quantiques Arbitraires de Mouvement H/F - 38

Établissement : Université Grenoble Alpes
École doctorale : PHYS - Physique
Laboratoire de recherche : Institut Néel
Direction de la thèse : Franck BALESTRO ORCID 0000000175543841
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-05-13T23:59:59Le projet vise à développer un capteur quantique basé sur des états quantiques arbitraires du mouvement, avec pour objectif ultime de sonder les effets gravitationnels. L'un des effets que nous cherchons à détecter est la décohérence gravitationnelle. De telles mesures pourraient fournir des informations cruciales pour discriminer ou valider certaines théories tentant d'unifier la gravité et la mécanique quantique.

L'aspect innovant réside dans l'utilisation d'un qubit fluxonium (intrinsèquement très sensible au flux magnétique) couplé à un nanofil supraconducteur suspendu. Le mouvement mécanique du fil module le flux magnétique traversant la boucle du fluxonium, permettant d'atteindre des taux de couplage très élevés, sans compromettre la sensibilité aux effets gravitationnels. Cette approche exploite le fonctionnement basse fréquence (domaine MHz) et les longs temps de cohérence (jusqu'à la milliseconde) du fluxonium pour préparer et sonder des états quantiques macroscopiques arbitraires du mouvement, tels que les états 'chat de Schrödinger'.

Le projet a déjà commencé avec la caractérisation de qubits fluxonium intégrés dans une cavité micro-ondes 3D en cuivre, en présence d'un champ magnétique externe. Une partie de la boucle du fluxonium sera ensuite libérée pour former un oscillateur mécanique avec un mode fondamental commençant à 1 MHz, et pouvant descendre jusqu'au domaine des kHz. Un aimant vectoriel supraconducteur 3D permettra d'aligner le champ magnétique externe pour maximiser le couplage tout en préservant la cohérence du qubit.

Les résultats attendus incluent :

La préparation d'états quantiques arbitraires dans l'oscillateur mécanique.
Le développement de protocoles de contrôle quantique pour des capteurs basse fréquence.
La mesure de la décohérence gravitationnelle.

Ces avancées auront des applications plus larges dans la détection quantique, les circuits radiofréquence et l'informatique quantique avec des qubits fluxonium.

Les oscillateurs mécaniques sont des capteurs quantiques exceptionnels pour les forces classiques, y compris les forces gravitationnelles ou les ondes gravitationnelles. Cependant, l'interface entre la mécanique quantique et les théories de la gravitation reste largement incomprise, et l'unification de ces théories constitue toujours l'un des principaux défis de la physique moderne. Les modèles théoriques prédisent que des effets de décohérence pourraient émerger lorsque des objets massifs sont placés dans des superpositions quantiques de position, en raison de la dilatation temporelle induite par la gravité. Si ces effets étaient observés, ils pourraient fournir une origine fondamentale à la transition quantique-classique et offrir des indices expérimentaux pour la construction d'une théorie unifiée.

Les oscillateurs mécaniques couplés à des circuits supraconducteurs sont devenus une plateforme de choix pour explorer ces phénomènes. Les circuits supraconducteurs ont déjà démontré leur capacité à préparer, à l'aide de champs électromagnétiques à fréquences micro-ondes, des états quantiques macroscopiques tels que les états 'chat de Schrödinger'. En plus du contrôle quantique, les circuits supraconducteurs disposent d'une boîte à outils remarquablement bien développée pour les mesures quantiques, permettant de mesurer la décohérence avec une précision exceptionnelle.

À l'échelle internationale, plusieurs groupes ont combiné des circuits supraconducteurs avec des oscillateurs mécaniques pour démontrer des fonctionnalités quantiques importantes. Parmi les réalisations marquantes, on trouve le refroidissement jusqu'à l'état fondamental d'oscillateurs massifs, la compression quantique de la position, la transduction quantique, ou encore la préparation d'états non classiques sous-poissoniens. Jusqu'à présent, les expériences avec des oscillateurs basse fréquence n'ont pas réussi à préparer des états quantiques avancés du mouvement, tels que les états 'chat de Schrödinger'. Les expériences n'ont donc pas pu exploiter ces états pour la détection quantique, et en particulier pour la détection de la décohérence gravitationnelle.

Ce projet vise à construire un dispositif quantique sensible à la décohérence gravitationnelle. Plus précisément, nous cherchons à préparer des états quantiques arbitraires de position dans un oscillateur macroscopique, et à sonder leur décohérence sur des échelles de temps pertinentes pour les effets de la relativité générale. Pour atteindre cet objectif, nous proposons d'utiliser un schéma de couplage innovant, basé sur la sensibilité au flux des qubits fluxonium.

Dans notre schéma, le mouvement du fil module le flux magnétique traversant la boucle supraconductrice formée par le circuit du fluxonium. Nous exploiterons deux propriétés clés de ce système :

1: Un qubit fluxonium, même lorsqu'il est accordé pour avoir une transition dans la gamme des MHz, conserve une très grande sensibilité au flux (10 GHz par quantum de flux).

2: Dans ce schéma de couplage par flux, il n'y a pas de compromis entre le couplage qubit-oscillateur et la sensibilité aux effets gravitationnels : ces deux paramètres augmentent avec des fils plus longs.

Notre stratégie consiste à partir de l'architecture du fluxonium précédemment utilisée pour démontrer des temps de cohérence longs. Celle-ci se compose d'une cavité micro-ondes 3D en cuivre, résonant typiquement à 7 GHz. Le qubit fluxonium est intégré dans cette cavité, que nous utilisons principalement pour la lecture du qubit, offrant ainsi un environnement expérimental favorable à une longue cohérence.

Une partie de la boucle du fluxonium, constituée d'un fil d'aluminium supraconducteur, sera libérée du substrat de silicium et laissée libre de vibrer. Nous prévoyons de commencer avec un mode fondamental autour de 1 MHz pour l'oscillateur mécanique. À un stade ultérieur, nous envisageons d'utiliser des fils plus longs, avec des fréquences plus basses, afin d'augmenter le couplage qubit-oscillateur et la sensibilité aux effets gravitationnels. Comme le couplage qubit-oscillateur dépend du champ magnétique externe, un défi clé du projet consiste à appliquer de grands champs tout en maintenant la cohérence du fluxonium. Pour y parvenir, nous prévoyons d'aligner précisément le champ dans le plan de la boucle du fluxonium et d'exploiter le mouvement mécanique hors plan.

L'alignement du champ magnétique externe sera réalisé à l'aide d'un aimant vectoriel supraconducteur 3D maison. La cavité en cuivre sera insérée dans cet aimant et ancrée thermiquement à la plaque de base d'un réfrigérateur à dilution. D'après nos mesures préliminaires, nous prévoyons d'utiliser un champ magnétique externe de l'ordre de 10 mT (dans le plan) et des fils de 200 µm de long. Pour ces paramètres, nous attendons des déplacements AC-Stark mécaniques de l'ordre de 10 kHz par phonon. Avec ces valeurs, même des facteurs de qualité modérés du qubit et de l'oscillateur permettront des techniques avancées de contrôle quantique (10 pour un fluxonium à 10 MHz et 10³ pour un oscillateur à 500 kHz). Pour permettre la détection de la décohérence gravitationnelle, nous aurons besoin de facteurs de qualité mécanique intrinsèques plus élevés (10 ou mieux). Plusieurs techniques existent pour atteindre de tels facteurs de qualité mécanique à basse fréquence et basse température. En parallèle, nous explorerons des possibilités comme l'utilisation de fils chargés en masse pour augmenter la sensibilité aux effets gravitationnels.