Ce travail porte sur la fabrication et la mesure de détecteurs quantiques supraconducteurs. Pour nano-structurer ces dispositifs, nous utilisons une technique de lithographie en champ proche : l'anodisation locale sous la pointe d'un microscope à force atomique (AFM). Nous appliquons cette technique à des films ultra-minces (2-10 nm) à base de niobium (Nb, NbN) épitaxiés sur des substrats de saphir. La résolution ultime que nous obtenons est de 10nm. Elle nous permet de réaliser des nanofils cristallins dont la section est nanométrique (100nm2) et homogène sur de grandes distances ( 40µm). Nous caractérisons en amont la qualité cristalline des films et mesurons leurs propriétés électriques jusqu'aux plus basses températures. Ces expertises sont menées en parallèle, sur des films d'épaisseur variable et nous permettent l'analyse de la transition supraconducteur-isolant dans les films ultra-minces en fonction du désordre mesuré dans les couches. Nous déterminons les régimes dissipatifs des nanofils supraconducteurs à très basses températures. Dans le régime de point chaud, nous montrons que les nanofils permettent la détection rapide d'un photon unique. Les détecteurs sont sensibles au photon unique dans le visible et à deux photons dans l'infrarouge. Ces détecteurs supraconducteurs ont une résolution temporelle inégalée par les détecteurs semiconducteurs. Ils peuvent être utilisés comme des compteurs de photons et être utiles à l'implémentation d'une cryptographie classique et quantique pour la transmission d'information sécurisée.
Ce travail porte sur la fabrication et la mesure de détecteurs quantiques supraconducteurs. Pour nano-structurer ces dispositifs, nous utilisons une technique de lithographie en champ proche : l'anodisation locale sous la pointe d'un microscope à force atomique (AFM). Nous appliquons cette technique à des films ultra-minces (2-10 nm) à base de niobium (Nb, NbN) épitaxiés sur des substrats de saphir. La résolution ultime que nous obtenons est de 10nm. Elle nous permet de réaliser des nanofils cristallins dont la section est nanométrique (100nm2) et homogène sur de grandes distances ( 40µm). Nous caractérisons en amont la qualité cristalline des films et mesurons leurs propriétés électriques jusqu'aux plus basses températures. Ces expertises sont menées en parallèle, sur des films d'épaisseur variable et nous permettent l'analyse de la transition supraconducteur-isolant dans les films ultra-minces en fonction du désordre mesuré dans les couches. Nous déterminons les régimes dissipatifs des nanofils supraconducteurs à très basses températures. Dans le régime de point chaud, nous montrons que les nanofils permettent la détection rapide d'un photon unique. Les détecteurs sont sensibles au photon unique dans le visible et à deux photons dans l'infrarouge. Ces détecteurs supraconducteurs ont une résolution temporelle inégalée par les détecteurs semiconducteurs. Ils peuvent être utilisés comme des compteurs de photons et être utiles à l'implémentation d'une cryptographie classique et quantique pour la transmission d'information sécurisée.
Ce travail porte sur la fabrication et la mesure de détecteurs quantiques supraconducteurs. Pour nano-structurer ces dispositifs, nous utilisons une technique de lithographie en champ proche : l'anodisation locale sous la pointe d'un microscope à force atomique (AFM). Nous appliquons cette technique à des films ultra-minces (2-10 nm) à base de niobium (Nb, NbN) épitaxiés sur des substrats de saphir. La résolution ultime que nous obtenons est de 10nm. Elle nous permet de réaliser des nanofils cristallins dont la section est nanométrique (100nm2) et homogène sur de grandes distances ( 40 m). Nous caractérisons en amont la qualité cristalline des films et mesurons leurs propriétés électriques jusqu'aux plus basses températures. Ces expertises sont menées en parallèle, sur des films d'épaisseur variable et nous permettent l'analyse de la transition supraconducteur-isolant dans les films ultra-minces en fonction du désordre mesuré dans les couches. Nous déterminons les régimes dissipatifs des nanofils supraconducteurs à très basses températures. Dans le régime de point chaud, nous montrons que les nanofils permettent la détection rapide d'un photon unique. Les détecteurs sont sensibles au photon unique dans le visible et à deux photons dans l'infrarouge. Ces détecteurs supraconducteurs ont une résolution temporelle inégalée par les détecteurs semiconducteurs. Ils peuvent être utilisés comme des compteurs de photons et être utiles à l'implémentation d'une cryptographie classique et quantique pour la transmission d'information sécurisée.
Les photons uniques sont idéaux pour transporter l’information quantique sous forme de qubits car ils présentent une très faible décohérence et se prêtent donc bien aux communications quantiques. Pour cette même raison, ils constituent une voie prometteuse pour le calcul quantique exploitant le paradigme MBQC (Measurement-Based Quantum Computing). La miniaturisation des fonctions de génération, encodage, manipulation et détection de photons uniques est essentielle pour la future industrialisation des applications quantiques. La photonique intégrée, combinée aux technologies standard CMOS, offre une voie privilégiée.Les Détecteurs de Photons Uniques à Nanofils Supraconducteurs (SNSPDs) discrets présentent une efficacité proche de 100% et de bonnes performances temporelles, mais leur intégration sur puce reste un défi. L'objet de cette thèse est le développement de SNSPDs intégrés de façon monolithique par couplage évanescent sur des guides d'onde en Si ou SiN sur des substrats en silicium de 200 mm de diamètre, afin d’éliminer les pertes de couplage avec les autres composants. Les guides en Si sont bien adaptés aux longueurs d’onde télécom exploitées pour les communications quantiques tandis que les guides en SiN permettent d'étendre la gamme de longueurs d’onde, notamment à 925 nm, qui est la longueur d’onde d’émission des sources de photons uniques à boîtes quantiques III-V, actuellement les plus performantes pour le calcul quantique photonique. Les guides en SiN sont également intéressants à 1550 nm car ils présentent de très faibles pertes de propagation.Quatre configurations de nanofils de différentes longueurs ont été conçues à 1550 et 925 nm, depuis la plus simple où le nanofil est en ligne droite centrée au-dessus du guide, jusqu’aux géométries les plus compactes et les moins sensibles au désalignement lithographique en forme de U, de S et de W.La technologie de fabrication a été développée selon un procédé entièrement compatible CMOS sur des substrats de 200 mm de diamètre, incluant la planarisation des guides en Si ou SiN, le dépôt d’une couche fine de NbN de bonne qualité, la structuration de nanofils de 100 nm de large et leur métallisation. La qualité cristalline du matériau supraconducteur NbN utilisé influence directement sa température critique (Tc). En poursuivant les études antérieures sur l'optimisation de films supraconducteurs ultrafins en NbN déposés sur du silicium cristallin, nous démontrons que l'introduction d'une couche sous-jacente de 10 nm d'AlN peut également accroître la température critique du NbN de plus de 2 K sur une couche amorphe en SiN. Dans les deux cas, l’AlN est suffisamment texturé pour orienter également la couche de NbN grâce à une relation épitaxiale entre AlN et NbN. Cette légère élévation de la Tc est importante car elle garantit le fonctionnement des détecteurs dans des cryostats compacts en cycle fermé à une température de 2.3 K. Les mesures de résistivité à température ambiante des nanofils montrent une excellente uniformité de fabrication de plus de 98 %.Une technique de packaging optique et électrique robuste a été développée de façon à pouvoir tester les détecteurs réalisés à 2.3K. Ceux-ci présentent des efficacités entre 70 et 80%, à 925 et 1550 nm, avec un bruit limité entre 10 à 100 Hz, des temps de récupération ne dépassant pas 5 ns, des taux de comptage maximum de plus de 100 MHz et des gigues temporelles inférieures à 100 ps. Ces résultats très prometteurs ouvrent la voie à l’intégration des SNSDPs dans des circuits de réception pour les protocoles de communication quantique ainsi que dans des circuits de calcul quantique photonique.
Un nanofil supraconducteur (typiquement 100 nm de large et 10 nm d’epaisseur), polarise par un courant legerement sous-critique, est sensible a l’absorption d’une quantite d’energie de l’ordre de l’electron-volt, suffisante pour initier localement une transition resistive detectable. L’application a la detection de photons uniques a demarre il y a une dizaine d’annees avec des nanofilaments de NbN et NbTiN. Ces dispositifs ont demontre des performances, en termes de sensibilite, de rapidite et de comptage noir, superieures aux autres techniques de detection, particulierement pour les longueurs d’ondes utilisees en telecommunications (1. 3 µm – 1. 55 µm). Dans ce travail de these, nous etudions la reponse induite par une excitation incidente de nature lumineuse ou electronique pour une meme nanopiste supraconductrice. En utilisant la colonne d’un microscope electronique a balayage comme source de particules, nous avons mis en evidence la sensibilite de ces structures a des electrons uniques avec des efficacites de detection proches de l’unite pour des energies incidentes entre 10 keV et 20 keV. Ce dispositif experimental nous a egalement permis de realiser des cartes d’efficacite de detection de la surface d’un detecteur en NbTiN et de sonder localement la reponse du nanofil avec une resolution spatiale inferieure a 100 nm. En detection de photon nous avons observe que le mouvement de vortex induits par un champ magnetique exterieur pouvait faciliter l’apparition d’une transition resistive detectable, se traduisant par une augmentation de la sensibilite. On parle d’un regime de detection assiste par « vortex-flow ».
Les circuits supraconducteurs quantiques sont à la base des qubits supraconducteurs en informatique quantique et d'une grande quantité d'autres technologies quantiques. La performance de ces circuits est principalement limitée par les pertes diélectriques causées par la présence de défauts aux interfaces des matériaux. La nécessité d'une haute résistance au champ magnétique pour certaines applications implique l'utilisation de supraconducteurs désordonnés contenant plus de défauts. L'objectif de ce projet est l'amélioration des performances des circuits supraconducteurs quantiques utilisant des matériaux désordonnés. Pour ce faire, des résonateurs micro-ondes lambda/4 supraconducteurs en guide d'ondes coplanaire (CPW) sont conçus et fabriqués en nitrure de niobium (NbN). Leur performance est quantifiée par la mesure de leur facteur de qualité interne (Q_i) à température cryogénique dans un réfrigérateur à dilution. L'impact de la géométrie sur le facteur de qualité est étudié en variant la recette de gravure, la profondeur de surgravure ainsi que les dimensions du CPW. Ces résultats sont comparés à des simulations électrostatiques par éléments finis utilisant COMSOL Multiphysics. La résistance au champ magnétique est évaluée par des mesures cryogéniques sous champ magnétique parallèle. Le NbN utilisé pour la fabrication des résonateurs possède un champ critique supérieur B_(c2, perp) ~ 66 T. Les résonateurs conçus et mesurés dans le cadre de cette étude ont montré un facteur de qualité interne maximal de 6x10^5 dans le régime du photon unique. Il a été conclu qu'une gravure isotrope et une grande surgravure augmentent le facteur de qualité interne. L'élargissement des dimensions du CPW contribue également à l'augmentation du Q_i. Les mesures de résonateurs sous champ magnétique parallèle ont montré une diminution du facteur de qualité interne, qui demeure supérieur à 1x10^4 à 1 T.
Les détecteurs de photons uniques aux fréquences visibles sont des outils essentiels dans de nombreux domaines de la technologie quantique, tels que la distribution de clés quantiques ou l'optique quantique. Cependant, la réalisation de détecteurs de photons uniques micro-ondes continus et hautement efficaces reste un défi. Dans cette thèse, nous proposons et mettons en œuvre un détecteur de photons micro-ondes basé sur une jonction tunnel supraconductrice couplée à une cavité micro-ondes. Les photons incidents à la fréquence du résonateur sont absorbés par la jonction via un effet tunnel inélastique de quasiparticules, ce qui entraîne un courant tunnel photo-assisté mesurable. Pour augmenter le taux d'effet tunnel inélastique, le résonateur est fabriqué en aluminium granulaire, ce qui conduit à une impédance caractéristique du mode de l'ordre du quantum de résistance. En mesurant le courant dû aux processus d'ordre supérieur, nous calibrons le détecteur et estimons l'efficacité quantique à 0,83, un ordre de grandeur plus élevé que celui rapporté dans la littérature pour les détecteurs basés sur l'effet tunnel photo-assisté. En plus du courant photo-assisté, la puissance émise par l'échantillon est mesurée, et il est démontré que le même dispositif peut être utilisé pour refroidir efficacement un circuit supraconducteur. Nous discutons de la compatibilité du détecteur de photons mis en œuvre avec les techniques de comptage de charge nécessaires pour discerner les électrons individuels, tels que les RF-SET. Nous réalisons un RF-SET à l'aide d'un résonateur granulaire en aluminium à haute impédance, et nous montrons une forte absorption de photons pour des tensions de polarisation et de grille appropriées. En outre, nous mesurons la sensibilité à la charge de ce dispositif à un niveau aussi bas que 5e-5 e/sqrt(Hz). Ainsi, les expériences de ce travail montrent que la combinaison d'un transistor radiofréquence à électron unique avec un convertisseur photon-électron à haute efficacité basé sur l'effet tunnel inélastique pourrait conduire à un compteur de photons micro-ondes unique pratique.
Cette thèse se concentre sur l'étude des résonateurs optomécaniques intégrés dans le régime quantique. Ils constituent en effet une plateforme très prometteuse pour plusieurs applications quantiques telles que la détection quantique (exploitation des états non-classiques du mouvement pour augmenter la sensibilité), les mémoires quantiques (les résonateurs mécaniques ont démontré de très longues durées de vie) et les transducteurs quantiques (conversion de l'information quantique encodée dans les photons micro-ondes des qubits supraconducteurs en photons télécom par l'interaction avec un résonateur mécanique). Ce travail s'est concentré sur le développement d'un transducteur quantique électro-optomécanique intégré sur silicium sur isolateur (SOI) et compatible CMOS, et d'un montage optomécanique pour permettre son fonctionnement dans le régime quantique à l'avenir. En collaboration avec l'Institut Néel et le CEA LETI à Grenoble, nous avons donc conçu un cristal optomécanique (OMC) 1D suspendu, couplé mécaniquement à un cristal électromécanique (EMC) pour former des supermodes mécaniques dans la gamme de fréquence des GHz. Ces supermodes peuvent être adressés à la fois par une cavité optique (un mode de défaut optique confiné dans le OMC) et par un résonateur supraconducteur via le couplage capacitif assuré par le EMC. Néanmoins, pour réaliser des opérations quantiques avec un tel dispositif, il est nécessaire d'éviter l'ajout de photons provenant du bain thermique mécanique, et donc de préparer le résonateur mécanique dans son état fondamental de mouvement où l'occupation moyenne des phonons est proche de zéro. Nous avons donc mis au point un montage pour préparer comme preuve de concept un résonateur optomécanique, un disque optomécanique en arséniure de gallium (qui confine des modes de galerie optiques de haute qualité bien couplés à un mode de respiration radiale mécanique à haute fréquence autour de 1 GHz), dans son état de mouvement fondamental en le refroidissant à 10 mK à l'aide d'une réfrigération par dilution. Pour mesurer l'occupation moyenne des phonons, nous avons réalisé une thermométrie des bandes latérales par comptage de photons, qui implique deux lasers bleu et rouge désaccordés d'une fréquence mécanique par rapport à la résonance optique pour entraîner des interactions optomécaniques de type Raman. Les photons diffusés par le processus optomécanique à la résonance optique sont conservés et comptés sur un détecteur de photons uniques, et les photons pompes rejetés spectralement. Grâce à cette mesure, nous avons pu démontrer une occupation moyenne des phonons de nb=0,66+-0,20, confirmant la préparation de ce résonateur très proche de son état fondamental du mouvement. Enfin, nous avons proposé une nouvelle géométrie de résonateurs optomécaniques intégrés à forte coopérativité quantique dans le silicium et l'arséniure de gallium, appelée « microgear ».