Le SQUID (Superconducting QUantum Interference Device) est un element essentiel du developpement du multiplexage cryogenique. Il fonctionne a temperature cryogenique, beneficie d'une grande bande passante (~MHz) et d'un tres faible bruit (~pA/√Hz). Dans un premier temps, les deux principes analogiques de multiplexage temporel et frequentiel seront presentes. Dans un deuxieme temps, on parlera de l'utilisation du SQUID qui permet de realiser un multiplexage temporel ou frequentiel a l'interieur d'un cryostat
Le SQUID (Superconducting QUantum Interference Device) est un element essentiel du developpement du multiplexage cryogenique. Il fonctionne a temperature cryogenique, beneficie d'une grande bande passante (~MHz) et d'un tres faible bruit (~pA/√Hz). Dans un premier temps, les deux principes analogiques de multiplexage temporel et frequentiel seront presentes. Dans un deuxieme temps, on parlera de l'utilisation du SQUID qui permet de realiser un multiplexage temporel ou frequentiel a l'interieur d'un cryostat
Le squid dc (superconducting quantum device direct current) est un capteur de flux extremement sensible. Associe a un circuit de couplage approprie, il est bien adapte pour l'amplification de tres faibles signaux dans la gamme de frequence 1-150mhz. Ce travail presente l'etude de l'optimisation de l'ensemble des parametres geometriques et electriques des amplificateurs a squid ; la mise en place des procedes technologiques necessaire a leur fabrication ainsi que la mesure de leurs performances. La fabrication de jonctions josephson nb/al-alox/nb de petite surface ( 4m#2), elements de base des squids a ete etudiee puis optimisee avec une bonne reproductibilite de leurs parametres electriques. Une premiere approche du probleme a consiste a realiser et caracteriser des squids en niobium non couples. Enfin, la geometrie des squids et de leurs structures de couplage est choisie avec un large choix de parametres qui permettra ulterieurement de definir ceux les mieux adaptes a l'amplification. Un procede technologique multi-couches complet est alors defini puis etudie pour la realisation des dispositifs. Leur caracterisation electrique met en evidence la modification du fonctionnement des squids en presence de leur structure de couplage
Le but de nos travaux etait d'etudier en detail le fonctionnement de l'amplificateur a squid mais aussi de comparer ses performances a celle des amplificateurs a base de semi-conducteurs plus faciles a mettre en uvre: l'objectif final etant de prelever a basse temperature un signal faible de type resonance magnetique nucleaire. Dans cet esprit, nous avons effectue a partir du modele e#n-i#n un etat de l'art des amplificateurs a base de semi-conducteurs a faible niveau de bruit refroidis ou non. Nous presentons aussi un etat de l'art des amplificateurs a base de jonctions josephson, de leur mode de fonctionnement et des modeles proposes pour predire leur comportement. Nous montrons clairement par calcul la superiorite de l'amplificateur a squid compare aux autres amplificateurs dans le cas ou l'echantillon a analyser est de faible taille. L'etude experimentale a consiste a caracteriser differents squid dc a basse temperature critique dans un mode de fonctionnement classique mais sur une grande bande de frequence. Ce travail a permis non seulement de verifier la validite et les limites des modeles donnes dans la litterature mais aussi d'apprehender l'ensemble des problemes de mise en uvre afin d'optimiser notre chaine de mesure. De plus, nous avons developpe une methode d'amplification par changement de frequence et propose un modele simplifie base sur la reponse tension-flux du squid qui explique qualitativement les resultats experimentaux. Cette methode qui est susceptible de fonctionner sur un tres large domaine de frequence, permet d'adapter l'impedance de sortie du squid ; elle exploite donc correctement les potentialites de l'amplificateur a squid. La meilleure sensibilite en flux obtenue a la frequence de 500 khz est de 5,3 10#-#6 (quantum de flux)/hz#1#/#2. L'amplificateur a squid apparait comme un outil de spectrometrie performant mais avec des conditions d'utilisations precises (taille de l'echantillon, temperature) et une mise en uvre delicate
La jonction Josephson à effet tunnel consiste en une fine barrière isolante insérée entre deux électrodes supraconductrices, où les paires de Cooper peuvent passer d'une électrode à l'autre avec une très faible probabilité de transmission. Cet élément sert de source commune et nécessaire de non-linéarité dans les circuits quantiques supraconducteurs, permettant la mise en œuvre de bits quantiques supraconducteurs (qubit) et de circuits amplificateurs supraconducteurs : deux éléments constitutifs de l'informatique quantique. La fabrication de ces jonctions ne permet aucun contrôle in-situ, leur comportement étant fixé par leur géométrie. Il est courant d'intégrer au moins deux jonctions dans une boucle supraconductrice pour former un dispositif d'interférence quantique supraconducteur (SQUID), dont la phase de la fonction d'onde macroscopique supraconductrice peut être modifiée par l'application d'un champ magnétique externe. Cela permet de récupérer un certain contrôle sur un degré de liberté quantique, en accordant l'énergie du SQUID en fonction de la phase. L'intégration d'un SQUID dans un qubit supraconducteur permet finalement d'accorder sa fréquence de transition. Au cours de la dernière décennie, de nouvelles architectures de circuits quantiques supraconducteurs sont apparues, où la jonction Josephson tunnel standard est remplacée par une jonction supraconducteur-normal-supraconducteur (SNS). Cette jonction bénéficie des propriétés normales du matériau, qui peut être un semi-conducteur ou un semi-métal, et dont la densité d'états peut être contrôlée par l'application d'un champ électrique externe. Par conséquent, l'énergie d'une seule jonction peut être réglée sans dépendre d'un champ magnétique, une solution qui peut se heurter à des problèmes d'extensibilité. Actuellement, des qubits supraconducteurs avec un nanofil d'InAs, un gaz électronique 2D (2DEG) et du graphène (avec des temps de cohérence faibles) ont été démontrés.Dans cette thèse, nous étudions l'utilisation du graphène, un semi-métal de van der Waals 2D encapsulé dans du h-BN (pour le protéger de son environnement), en tant que jonction SNS accordable par une grille. La jonction Josephson en graphène est intégrée dans un qubit supraconducteur, où l'énergie de Fermi du graphène est contrôlée par l'utilisation d'une électrode de grille, sur laquelle une tension est appliquée. La grille a deux effets : elle modifie le nombre de canaux de conduction à l'intérieur du graphène, ainsi que leurs probabilités de transmission (ou transparences). Le temps de relaxation est mesuré entre 300 et 800 ns, soit un ordre de grandeur supérieur à l'état de l'art actuel en matière de qubits basés sur le graphène. Nous mesurons un grand contrôle de la fréquence de transition du qubit (plusieurs GHz). Surprenament, l'anharmonicité dépend fortement de la tension de grille avec de grandes oscillations dans le régime dopé p du graphène. Basée sur un modèle analytique de contact quantique supraconducteur, que nous avons résolu numériquement, notre analyse suggère que d'importantes fluctuations mésoscopiques de transparence se produisent dans nos dispositifs, avec des valeurs allant de 0,2 à 1, une indication d'une jonction Josephson en graphène de haute qualité. Le modèle, valable pour n'importe quel régime, démontre l'effet important de la transparence sur le spectre du qubit. La dispersion de charge (c'est-à-dire la sensibilité du qubit au bruit de charge) diminue également avec l'énergie Josephson, mais aussi avec la transparence. En particulier, en cas de transparence parfaite, la dispersion de charge devrait totalement disparaître, ce qui est hautement souhaitable pour des qubits plus résistants au bruit de charge. Nous démontrons que la dispersion de charge est effectivement plus petite que celle attendue pour un qubit supraconducteur basé sur une jonction tunnel fonctionnant dans le même régime, jusqu'à un facteur 2, avec une transparence déduite allant de 0,6 à 0,8.
Les circuits à base de jonctions Josephson comme les filtres à interférences quantiques, nommés SQIF (Superconducting Quantum Interference Filter), sont des capteurs très sensibles au champ magnétique. Les éléments de base d’un tel circuit sont les SQUID (Superconducting Quantum Interference Device). Aussi performants dans la détection de champ magnétique, ces derniers ne permettent pas de réaliser des mesures absolues. De plus, la nécessité d’un asservissement par une boucle à verrouillage de flux limite la bande de fréquence d’utilisation. Les SQIF n’ont pas cette limitation et permettent les mesures absolues de champ magnétique. Leur capacité à combiner une taille compacte, une très bonne sensibilité et une large bande fréquentielle d’utilisation fait de ces capteurs des sérieux concurrents aux antennes classiques. Des mesures expérimentales avec des SQIF HTS faits par la technologie de jonctions irradiées montrent qu’il est possible de réaliser la détection de signaux radiofréquence jusqu’au moins 5 GHz en configuration de champ proche et en environnement non magnétiquement blindé. Afin de réaliser l’adaptation d’impédance et améliorer les caractéristiques DC de ces capteurs, différentes géométries de réseau sont étudiées. L’étude permet de définir les paramètres d’importance dans la conception de circuits SQIF afin de réaliser des détecteurs radiofréquence performants.
Circuits électroniques à températures cryogéniques pour la lecture massive de qubits de spin Les qubits de spin sur semi-conducteurs constituent une plateforme prometteuse pour le calcul quantique à grande échelle, car ils bénéficient d’une taille réduite et de procédés de fabrication compatibles avec l’industrie des semi-conducteurs. Bien que les qubits de spin fonctionnent à des températures cryogéniques, les circuits électroniques assurant leur contrôle sont généralement placés à température ambiante. Plusieurs milliers de câbles doivent donc traverser le cryostat.Placer l’électronique de contrôle à l’intérieur du cryostat permettrait de limiter les connexions reliant l’étage à température ambiante avec les étages cryogéniques à un petit nombre de câbles portant des signaux basses fréquences. Cette thèse vise à développer des circuits intégrés à températures cryogéniques conçus pour réaliser la lecture par impédancemétrie de qubits de spin et adaptés à une lecture à grande échelle. L’impédancemétrie est une méthode de lecture similaire à la méthode éprouvée de la réflectométrie, mais dans laquelle l’impédance du résonateur connecté au qubit est mesurée directement, ce qui permet d’éviter une optimisation complexe de l’adaptation d’impédance du résonateur. En contrepartie, les circuits de lecture doivent être placés à proximité immédiate des résonateurs.Tout d’abord, nous présentons une étude théorique comparant les performances des lectures par impédancemétrie et par réflectométrie. L'impédancemétrie présente une sensibilité en phase améliorée, étant limitée uniquement par le facteur de qualité interne du résonateur. Cependant, placer le résonateur à une température plus élevée augmente son bruit thermique, limitant le rapport signal sur bruit (SNR). Nous réalisons des simulations montrant que l'impédancemétrie est compatible avec le multiplexage fréquentiel, permettant la lecture de plusieurs qubits par la même chaîne de lecture. Nous concevons ensuite un circuit sur la technologie Fully-Depleted Silicon-On-Insulator (FDSOI) 28nm pour démontrer le principe de lecture. Les tests sont effectués à 4.2K, bien que le circuit soit compatible avec une utilisation à 500mK. Pendant la caractérisation du circuit, un deuxième LNA discret en SiGe est utilisé. Ce LNA a également été conçu au cours de cette thèse pour être utilisé comme second étage d’amplification d’une lecture par impédancemétrie ou réflectométrie. À 4.2K, le circuit intégré consomme 590µW pour une bande passante de 500MHz. Une capacité numérique est utilisée pour émuler le comportement d’un qubit et évaluer la sensibilité de la chaîne de lecture. La sensibilité est de 35 aF.µV/√Hz à 4.2K, limitée par le bruit thermique du résonateur, avec une amélioration d’un facteur 3 prévue à 500mK.
Un des domaines actifs de l'optique intégrée appliquée aux communications optiques est la recherche d'un registre optique reconfigurable. Le registre idéal doit retarder des impulsions lumineuses de façon appréciable sur une bande spectrale suffisamment large pour ne pas les filtrer. Différentes approches prometteuses ont été démontrées expérimentalement elles reposent la plupart du temps sur des effets non-linéaires comme l'effet Brillouin dans les fibres ou la conversion de fréquence. Une approche alternative consiste à utiliser les résonances de structures artificielles comme celles des microcavités à modes de galerie ou à cristaux photoniques. Si l'on considère une microcavité unique, ce type d'approche est très limité d'un point de vue retard/bande passante. En se bornant au cas le plus favorable du résonateur sans perte, le retard induit possède une forme Lorentzienne, cette forme de résonance impose de très fortes dispersions d'ordres élevés. Cela se résume de la manière suivante : une impulsion Gaussienne de durée T0 ne peut être retardée que d'une quantité maximale tmax=T0/ln2. Pour un tel système, à un seul résonateur passif, un peu moins d'un bit peut être temporairement stocké de cette manière, ce qui est très faible. Une façon d'augmenter le retard consiste à cascader ou coupler une série de résonateurs identiques afin de cumuler du retard. Dans ce cas une optimisation du couplage permet également d'annuler les ordres élevés de dispersion. Une méthode radicalement différente a été proposée dans les structures de résonateurs couplés afin de rendre le système reconfigurable. Le principe de cette méthode consiste à utiliser un système de résonateurs couplés à deux états : le premier, large bande permet d'accepter des impulsions très courtes, le second très résonant permet de retarder les impulsions. Une fois l'impulsion lumineuse piégée dans le premier état le système est commuté dans l'état résonant ce qui permet de retarder l'impulsion de manière arbitrairement longue en évitant toute déformation du signal. Dans cette communication nous montrerons de manière théorique qu'en utilisant la modulation du gain de résonateurs actifs à la place d'effets électro-optiques, il est possible de limiter le nombre de microrésonateurs nécessaires tout en éliminant les pertes. Nous montrerons également que ce type de dispositif pourrait présenter un intérêt pour la compensation de dispersion reconfigurable et l'optique non-linéaire à très faible puissance optique.