Multi-qubit entanglement and spin squeezing in cavity QED via two-photon driving

We present a generic cavity quantum electrodynamics (QED) set-up that can generate different types of strong multipartite entanglement. The proposed system is already accessible at the experimental level in different cavity QED architectures as it only involves a spin ensemble weakly coupled to a two-photon driven cavity. The first entangling scheme we propose, the dark-mode assisted protocol (DMAP), consists in transferring the squeezing from the cavity to the spin ensemble. The resulting spin squeezed state (with a Kitawaga spin squeezing parameter on the order of 10−2) has strong pairwise entanglement that is especially useful for quantum metrology. In a relatively short timescale (inversely proportional to the collective coupling strength), our scheme can almost reach the quantum Heisenberg limit (with a Wineland spin squeezing parameter close to 2/N), even for a few spins. Unlike one-axis twisting and two-axis countertwisting, the amount of spin squeezing generated by our scheme is not constrained by the number of spins. Our scheme is faster and doesn't suffer the oscillatory dynamics of one-axis twisting. We will also demonstrate how the DMAP can be analyzed as an adiabatic evolution even though achieving adiabaticity might seem impossible in our gapless system. In the second part of the thesis, we build on our previous work which showed that a two-photon drive can be used to simulate ultra-strong coupling in a standard cavity QED system where the cavity is weakly coupled to a single qubit. We extend this approach to a cavity weakly interacting with a spin ensemble and simulate the Dicke model, which is known to exhibit interesting quantum features such as strong entanglement and quantum phase transitions. The other entangling schemes we propose, make use of the simulated Dicke model: the realization of a Molmer-Sorenson gate, closely related to one-axis twisting, and the generation of large multipartite entangled cat-states. We demonstrate how our scheme can be used to prepare a remote entanglement protocol, a key ingredient in quantum information, where the weakly interacting Hamiltonian is used to grow a Greenberger–Horne–Zeilinger state which will then be transformed into an entangled-cat state by the simulated Dicke Hamiltonian. Finally we illustrate how our system can become an interesting platform to study superradiant phase transition and as well as the effects of squeezed input noise.Nous présentons une architecture générique en électrodynamique quantique en cavité (en anglais: QED), capable de cultiver différents types d'intrication quantique à plusieurs corps. Ce système, présentement accessible au niveau expérimental dans diverses architectures, nécessite seulement une interaction faible entre un ensemble de spins et une cavité soumise à un processus paramétrique à deux photons. Le premier protocole d'intrication que nous proposons, soit le protocole assisté par un état noir quantique (en anglais: DMAP), consiste à transférer la compression du champ intra-cavité vers l'ensemble de spins. L'état comprimé de spin résultant de ce procédé (avec un paramètre de Kitawaga sur l'ordre de 10-2) présente un enchevêtrement fort dans les différentes paires de spins, ce qui s'avère très utile dans le contexte de la métrologie quantique. Dans un temps de préparation relativement court (inversement proportionnel à la magnitude du couplage collectif), notre protocole permet d'atteindre pratiquement la limite quantique d'Heisenberg (avec un paramètre de Wineland près de 2/N), et ce même pour un faible échantillon de spins. Si la limite de compression générée par la torsion à un axe ou deux axes est contrainte par la taille de l'échantillon, notre protocole ne l'est pas en plus d'être plus rapide et de ne pas souffrir de la dynamique oscillatoire de la torsion à un axe. Nous allons aussi démontrer comment le DMAP se compare à une évolution adiabatique même si l'adiabaticité semble impraticable dans ce contexte. Dans des travaux précédents nous avons démontré qu'un processus paramétrique à deux photons peut être utilisé pour simuler un couplage très fort dans un system QED en cavity standard à interaction faible. Nous allons élargir cette technique au système présent pour simuler le modèle de Dicke, qui est reconnu pour ses propriétés quantiques intéressantes telles que la possibilité d'un enchevêtrement quantique important et des transitions de phases superradiantes. Les autres protocoles d'intrication que nous proposerons utilisent la simulation du modèle de Dicke, soit la réalisation de la porte de Molmer-Sorenson, intimement reliée à la torsion à un axe, et la culture de grands états de chat enchevêtrés. Plus spécifiquement nous proposerons un protocole d'intrication délocalisée, un ingrédient clé pour l'informatique quantique, où un état de Greenberger-Horne-Zeilinger sera préparé dans le système à interaction faible pour être ensuite transformé en un grand état de chat enchevêtré grâce au model simulé de Dicke. Finalement nous révèlerons notre système comme étant une plateforme intéressante pour étudier les transitions de phase superradiantes ainsi que leur dépendance sur le bruit quantique comprimé