Systèmes hybrides spino-mécaniques en interaction paramétrique L'exploration du monde quantique au moyen d'objets macroscopiques constitue l'un des défis centraux de ces dernières décennies pour la recherche en physique. Parmi les systèmes proposés pour atteindre cet objectif, les systèmes hybrides, qui couplent un résonateur nanomécanique à un qubit unique, font figure de paradigme.L'excitation cohérente d'un oscillateur mécanique macroscopique par un unique spin électronique ouvrirait en particulier de nouvelles perspectives pour la création d'états quantiques arbitraires du mouvement.Dans ce manuscrit, nous considérons un système hybride constitué d'un oscillateur nanomécanique et du spin électronique d'un unique centre NV, couplés entre eux par une interaction magnétique. Nous nous concentrons sur le cas d'une interaction paramétrique où la vibration mécanique module l'énergie du qubit, et plus précisément sur le cas où le qubit ainsi forcé et l'oscillateur mécanique évoluent sur des échelles de temps comparables.Dans cette situation, nos observations montrent une synchronisation de la dynamique du qubit sur l'oscillation mécanique. Le phénomène est dans un premier temps abordé par une expérience-test qui remplace le mouvement mécanique par un champ radiofréquence en couplage paramétrique avec le spin. Cette première implémentation permet de dégager les propriétés essentielles de l'effet paramétrique, qui est dans un second temps observé sur l'expérience principale.Dans cette seconde expérience, un centre NV est attaché à l'extrémité d'un nanofil de carbure de silicium en vibration placé dans un fort gradient de champ magnétique. Le caractère bidimensionnel des déformations du nanofil octroie alors à la synchronisation des signatures vectorielles encore inédites, qui peuvent aussi être interprétées comme la manifestation d'un triplet de Mollow phononique, ainsi qu'il a été observé dans les premières expériences d'électrodynamique quantique.Finalement, nous explorons la robustesse de la synchronisation vis-à-vis du mouvement Brownien du résonateur, et démontrons la possibilité de protéger le qubit de cette source de décohérence additionnelle grâce à une excitation mécanique de faible amplitude.
Systèmes hybrides spino-mécaniques en interaction paramétrique L'exploration du monde quantique au moyen d'objets macroscopiques constitue l'un des défis centraux de ces dernières décennies pour la recherche en physique. Parmi les systèmes proposés pour atteindre cet objectif, les systèmes hybrides, qui couplent un résonateur nanomécanique à un qubit unique, font figure de paradigme.L'excitation cohérente d'un oscillateur mécanique macroscopique par un unique spin électronique ouvrirait en particulier de nouvelles perspectives pour la création d'états quantiques arbitraires du mouvement.Dans ce manuscrit, nous considérons un système hybride constitué d'un oscillateur nanomécanique et du spin électronique d'un unique centre NV, couplés entre eux par une interaction magnétique. Nous nous concentrons sur le cas d'une interaction paramétrique où la vibration mécanique module l'énergie du qubit, et plus précisément sur le cas où le qubit ainsi forcé et l'oscillateur mécanique évoluent sur des échelles de temps comparables.Dans cette situation, nos observations montrent une synchronisation de la dynamique du qubit sur l'oscillation mécanique. Le phénomène est dans un premier temps abordé par une expérience-test qui remplace le mouvement mécanique par un champ radiofréquence en couplage paramétrique avec le spin. Cette première implémentation permet de dégager les propriétés essentielles de l'effet paramétrique, qui est dans un second temps observé sur l'expérience principale.Dans cette seconde expérience, un centre NV est attaché à l'extrémité d'un nanofil de carbure de silicium en vibration placé dans un fort gradient de champ magnétique. Le caractère bidimensionnel des déformations du nanofil octroie alors à la synchronisation des signatures vectorielles encore inédites, qui peuvent aussi être interprétées comme la manifestation d'un triplet de Mollow phononique, ainsi qu'il a été observé dans les premières expériences d'électrodynamique quantique.Finalement, nous explorons la robustesse de la synchronisation vis-à-vis du mouvement Brownien du résonateur, et démontrons la possibilité de protéger le qubit de cette source de décohérence additionnelle grâce à une excitation mécanique de faible amplitude.
Un oscillateur nanomécanique quantique couplé à un système à deux niveaux dans le régime de couplage fort Parmi les nombreux systèmes nanométriques opérant dans le régime quantique, les oscillateurs nanomécaniques se sont imposés comme des plateformes particulièrement performantes. Ils constituent des capteurs de haute sensibilité et peuvent assurer la médiation d’interactions entre la lumière et des systèmes quantiques localisés, jouant un rôle central dans diverses architectures de traitement de l’information quantique. En raison de leur masse relativement élevée, ils constituent également des systèmes de choix pour étudier la transition entre les régimes quantique et classique. Cette thèse étudie la dynamique d’un oscillateur nanomécanique couplé à un système à deux niveaux soumis à un champ cohérent. L’analyse se concentre sur le régime des bandes latérales résolues, où le taux d’amortissement Γ du système à deux niveaux est bien inférieur à la fréquence mécanique ωm, et explore deux régimes : le couplage fort (ωm ≫ g0 ≫ Γ) et l’ultra-fort (ωm ∼ g0 ≫ Γ), g0 désignant l’intensité du couplage. Ces régimes permettent une manipulation cohérente de l’oscillateur tout en préservant sa nature quantique. Pour un pompage désaccordé vers le bleu, et en considérant un faible amortissement mécanique, le système évolue vers un régime d’instabilité dynamique, marqué par l’émergence de cycles limites. Cette transition est accompagnée de fluctuations importantes dans l’émission de photons, s’écartant de la statistique de Poisson. Les fluctuations du nombre de phonons suivent un comportement analogue, offrant un autre indicateur expérimental de cette transition. Lorsque g0 devient comparable à ωm, l’oscillateur atteint un état stationnaire non classique. La distribution des phonons évoque celle d’états de Fock, et la distribution quasi-probabiliste dans l’espace des phases présente des régions négatives, une signature claire de non-classicité. Une méthode est proposée pour détecter ces signatures à partir de la lumière émise par le système à deux niveaux, permettant de reconstruire l’état quantique du système. La robustesse de cette méthode face à des sources de bruit réalistes est étudiée en détail. La réponse du système sous excitation bichromatique est aussi examinée. Un modèle spécifique est développé pour le régime de fort couplage. Lorsque les deux champs sont accordés sur les premières bandes latérales bleue et rouge, l’oscillateur atteint un état stationnaire comprimé. Si les deux excitations sont désaccordées vers le rouge, le système évolue vers une superposition d’états cohérents, rappelant un oscillateur excité de manière paramétrique. Dans ces deux cas, des signatures non classiques émergent dès que g0 ∼ ωm. Ces résultats apportent un éclairage nouveau sur la génération, la stabilisation et la détection d’états mécaniques non classiques et comprimés. Ils ouvrent des perspectives pour le développement de systèmes quantiques hybrides et pour l’exploration expérimentale des limites de la mécanique quantique.
Le travail aborde deux grandes problématiques d'actualité des systèmes quantiques. La première concerne les systèmes quantiques ouverts, typiquement un bit quantique (qubit) couplé à un bain. Dans cette partie on présente l'étude de la décohérence et la relaxation du qubit. La seconde partie concerne les systèmes quantiques isolés. Dans cette partie on présente l'étude de la thermalisation de deux systèmes quantiques macroscopiques après un quench Décohérence et relaxation d'un qubit. L'étude de la dynamique réduite d'un qubit couplé à un réservoir est intéressant pour deux points de vue complémentaires, l'un lié à l'informatique quantique et l'autre lié à la physique quantique de N corps. Pour construire des ordinateurs quantiques, il est nécessaire de comprendre l'effet de l'environnement sur la décohérence des qubits. D'autre part, d'un point de vue de la physique des systèmes quantiques, ou bien des systèmes quantiques hors équilibre, les qubits peuvent être utilisés pour mesurer et comprendre les propriétés thermodynamiques et dynamiques du bain. Dans ce second sens, tout à fait d'actualité, il existent nombreux travaux théoriques et expérimentales récentes. Des expériences récentes suggèrent utiliser des dispositifs semi-conducteurs tels que les Josephson jonctions ou des spins dans les boîtes quantiques pour l'informatique et la communication quantique. Ces appareils ont l'avantage de taille par rapport aux autres systèmes physiques qui ont également été proposées pour l'informatique quantique, comme des atomes en cavité, les ions piégés dans un champ magnétique ou des molécules en résonance magnétique nucléaire . L'unité de base de ces dispositifs est un système quantique à deux niveaux, connu dans la littérature comme un quantum bit ou qubit. L'utilisation de bits quantiques (qubits) dans n'importe quel contexte est limitée par interaction avec leur environnement (réservoir ou bain). En fait, l'interaction leur fait perdre leur caractère quantique, un processus appelé décohérence. Les premiers études qui ont modelé la perte de la cohérence sont ceux de Caldeira et Leggett dans les années quatre-vingt. Dans ces études le réservoir était composé des bosons indépendants. Le modèle proposé, appelé Spin-Boson, est pertinente lorsque l'on considère un bain des photons ou des phonons. Cependant, dans le cas des dispositifs semi-conducteurs mentionnés au paragraphe précédent, des expériences ont montré qu'il est nécessaire d'envisager des réservoirs plus complexes composés des spins et électrons en interaction. De plus, il est important de considérer les effets non markoviens (effets de mémoire sur la dynamique des qubits. Le traitement théorique de bains quantiques avec interactions est beaucoup plus difficile que le traitement pour le bain des bosons indépendants et nous devons recourir à des méthodes théoriques puissantes. Le chapitre introductif présente les techniques d'opérateurs de projection qui sert a dériver les équations maîtresses qui régissent l'évolution du qubit, dans la thèse on se concentre sur les approximations Nakajima Zwanzig (NZ) et Time convolutionless technique (TCL). Ces techniques sont élégantes et, bien que perturbatives, sont capables de décrire certains aspects non markoviens de la dynamique. Nous avons étudie dans une première partie, la décohérence et relaxation d'un qubit couplé a un bain électronique sans interaction décrivant un métal ou un semi-conducteur Les résultats reflètent la richesse car la dynamique réduite du qubit dépend de façon subtile de plusieurs paramètres: la densité d'états des électrons, le champ magnétique, etc. Dans le chapitre 3 nous avons considéré un qubit couplé à un bain possédant un ordre supraconducteur. Pour un couplage de type Kondo à température fini nous avons trouvé une décohérence et relaxation non markoviens et ultra rapides, pour un couplage direct au paramètre d'ordre nous avons trouvé une dynamique plus complexe qui dépend des conditions initiales. Pour certaines conditions initiales la dynamique est sensible aux fluctuations de spin et ressemble a la situation du couplage Kondo. Pour autres conditions initiales, la dynamique est sensible aux fluctuations de charge et relaxe de façon markovien. Ces résultats donnent des pistes pour réduire les effets de décohérence dans les dispositifs et motivent des nombreux questions. Ces travaux ont aboutit à la publication des articles suivantes: Effect of a gap on the decoherence of a qubit J. Restrepo, E. Dupont, S. Camalet, R. Chitra (submitted to Phys Rev B) Decoherence induced by an ordered environment J. Restrepo, S. Camalet, R. Chitra (in preparation) Thermalisation d'un système quantique isolé. L'étude de la dynamique hors équilibre après un quench est devenu particulièrement d'actualité depuis l'avènement des expériences d'atomes ultra-froids qui représentent des systèmes quantiques isolés idéaux Pour les systèmes quantiques, la plupart des questions fondamentales sur la thermalisations restent ouvertes. Il y a deux types de questions : Quel est l'état asymptotique après un quench ? Est-il un état d'équilibre ? Quels sont les mécanismes qui expliquent la thermalisation ? Jusqu'au présent, il existent soit des hypothèses générales avec aucune preuve rigoureuse soit des résultats particuliers. Les résultats sont obtenus analytiquement lorsque le système est intégrable et numériquement quand il ne l'est pas. Dans notre travail (chapitre 4), nous abordons la question de la stabilité de l'équilibre thermique dans les systèmes quantiques, nous modélisons les systèmes quantiques par des champs bosoniques libres. L intérêt de ce modèle est de pouvoir apporter des réponses claires à certaines des questions fondamentales sur la thermalisation. Il a deux ingrédients intéressantes. Tout d'abord, il considère un état initial qui n'est pas l'état fondamental. Deuxièmement, il considère un système composite où les deux parties sont de taille comparable, ce qui permet de voir comment l'état asymptotique est atteint dans l'espace. L'effet d'avoir des champs bosoniques libres conduit à un hamiltonien quadratique pour lequel on a calculé l'énergie et les fonctions de corrélation de façon exacte aux temps longs. Ainsi on a pu montré que dans le cas d'un contact thermique modifié soudainement, le système n'atteint pas un état stationnaire, et il ne se produit pas de relaxation. Ces résultats peuvent en fait être partiellement compris du fait de la nature particulière du spectre des excitations. Néanmoins, ils motivent des nombreuses questions. Ce travail a abouti à la publication de l'article suivante: Sudden Change of the thermal contact between two quantum systems New Journal of Physics 12 055011, 2010.
Electrodynamique quantique en circuit hybride avec un spin de trou dans le silicium Le couplage cohérent et fort entre les photons et les qubits basés sur des matériaux solides, sous la forme de l'électrodynamique quantique de circuit (en anglais circuit QED), a été exploité notamment pour les portes logiques à deux qubits et la lecture haute fidélité sans démolition d’état formant les blocs fondateurs du calcul quantique. Récemment, la circuit QED a été étendue aux boîtes quantiques semi-conductrices définies par des grilles. Dans cette thèse, nous développons une nouvelle architecture hybride de circuit QED composée d'un résonateur micro-onde supraconducteur à haute impédance et de spins localisés dans des boîtes quantiques en silicium-MOS. Afin de contrôler et mesurer les degrés de liberté du spin, ce système hybride doit s'opérer dans un champ magnétique fini. Par conséquent, nous développons et caractérisons les résonateurs micro-ondes formés dans un film mince de nitrure de niobium (NbN) comportant une haute cinétique inductance. Nous démontrons la résilience au champ magnétique et une faible perte de photons des résonateurs à haute impédance. Nous co-intégrons ensuite les résonateurs sur les puces des qubits de spin en silicium. Avec le confinement d'un trou dans une double boîte quantique (DQD), nous présentons la première démonstration d'une interaction forte entre une charge de trou et un photon à la limite du régime de couplage ultra-fort. Sous champ magnétique fini, nous observons des répulsions des états de Rabi du vide caractéristiques d'un couple fort spin-photon. Nos résultats sont bien capturés par la modélisation d'un trou dans une DQD avec une réponse anisotrope différente dans chaque boîte et des taux de tunnel dépendant du couplage spin-orbite. Nous trouvons également un couplage spin-photon conséquent lorsque le trou est localisé dans une boîte quantique unique, en accord avec les prédictions théoriques récentes. Ces différents travaux présentés dans ce manuscrit ouvrent la voie à un circuit QED avec des spins de trous dans une boîte quantique semi-conductrice définie par des grilles.
A l’heure des mégadonnées, du traitement et de l’échange d’informations de masse, le développement de nouvelles technologies liées à l’information est un défi important de notre société. Pour répondre à ce besoin grandissant, le monde de l’infiniment petit régi par les lois de la physique quantique offre d’importantes possibilités de développement technologique. Cette thèse s’inscrit dans le contexte de l’émergence des nouvelles technologies quantiques basées sur l’utilisation d’atomes artificiels. Nous nous sommes particulièrement intéressés aux possibilités offertes par les spins nucléaires uniques dans le diamant. Le début de ce mémoire de thèse vise à introduire les propriétés du défaut NV du diamant dont le spin électronique peut être utilisé pour détecter les spins nucléaires présents dans la matrice de diamant. Le caractère anisotrope de l’interaction hyperfine entre le spin électronique du centre NV et les spins nucléaires de 13C sera exploité pour initialiser l’état de ces spins nucléaires en tirant profit d’un anti-croisement de niveau. La structure particulière des niveaux d’énergie de ce système de spins à l’anti-croisement de niveaux nous permettra de revisiter le phénomène de piégeage cohérent de population avec un spin nucléaire unique à température ambiante. Enfin, en vue des applications technologiques de ce système, nous présenterons la mise en place d’une expérience de détection micro-onde du spin électronique associé au défaut NV permettant de s’affranchir de l’illumination optique qui représente la source principale de décohérence de l’état quantique des spins nucléaires. Les résultats obtenus dans cette thèse, relatifs au contrôle des systèmes de spins dans le diamant, s’inscrivent dans la perspective de développement des systèmes quantiques hybrides. Ainsi, l’association des longs temps de cohérence des spins nucléaires aux performances de calcul des bits quantiques supraconducteurs est une voie prometteuse de développement des technologies quantiques de l’information.
Transport cohérent des spins d’électrons dans des boîtes quantiques couplées De récentes avancées technologiques laissent entrevoir le potentiel des spins électroniques uniques comme supports pour le stockage et la manipulation de l'information. En raison de leur nature quantique, les spins électroniques contrôlé à l’échelle de l’électron unique peuvent non seulement être utilisés pour stocker l'information classique, mais pourraient également être mis en œuvre pour réaliser des qubits dans un ordinateur quantique. Dans un tel dispositif, les superpositions de différents états de spin peuvent être utilisées pour calculer plus efficacement que les ordinateurs classiques.Une mise en œuvre prometteuse d'un tel système est un électron piégé dans une boite quantique latérale. Ce dispositif nanométrique défini dans des structures semiconductrices permet d'isoler et de manipuler le spin d’un électron de façon cohérente avec des potentiels électrostatiques. Dans cette thèse, nous manipulons les électrons dans des boites quantiques dans un régime dit « isolé». La manipulation de charges électroniques individuelles en plusieurs boites quantiques connectées entre elles apparaît alors être simplifiée. Cette manipulation de spin se fait grâce à l’échange cohérent d’un quantum de spin entre deux électrons piégés. Le contrôle du couplage tunnel entre ces deux boites quantiques rend cet échange contrôlé. De cette façon, la manipulation de spin peut se faire à un "sweet spot", un point insensible au bruit de charge, permettant ainsi d'obtenir des oscillations de spin de haute qualité.Le contrôle précis de la charge dans le régime isolé est ensuite utilisé pour contrôler le déplacement d’un électron dans un système circulaire de trois boites quantiques qui sont fortement couplées par effet tunnel. Ainsi la cohérence d'une superposition de deux spins électroniques déplacée le long d’une boucle fermée a été étudiée. Nos mesures montrent le transport cohérent de spins électroniques uniques sur des distances allant jusqu'à 5 μm. Pendant le transfert, le temps de cohérence se révèle être considérablement augmenté. Nous avons identifié le mécanisme sous-jacent à cette amélioration comme provenant d’un rétrécissement, lors du mouvement, des gradients de champ nucléaires générées par l'environnement cristallin. Les sources de décohérence sont discutées et permettent d’obtenir de nouvelles connaissances sur la dynamique interne du processus de transfert entre des boites quantiques couplées. Nos résultats sur le transport cohérent d'électrons peuvent être utilisés pour évaluer les possibilités d’intégration à grande échelle de qubits de spin dans des réseaux de boites quantiques à deux dimensions.
Résonance magnétique avec des champs micro-ondes quantiques Dans une expérience classique de résonance paramagnétique électronique (RPE), le couplage entre les spins et leur environnement électromagnétique est faible, limitant considérablement la sensibilité de la mesure. Grâce à l’utilisation combinée d'un amplificateur paramétrique Josephson et de micro-résonateurs supraconductuers de hauts facteurs de qualité refroidis à quelques millikelvins, ce travail rapporte la conception et la mise en œuvre d’un spectromètre RPE dont la sensibilité de détection est limitée par les fluctuations quantiques du champ électromagnétique au lieu d’un bruit d’origine thermique ou technique. Des mesures de RPE pulsée sur un ensemble de doneurs Bismuth dans le silicium permettent de démontrer une sensibilité de 1700 spins détectés par écho de Hahn avec un signal-sur-bruit unitaire. La sensibilité est encore améliorée en générant un état de vide comprimé dans le guide d'onde de détection, ce qui réduit les fluctuations quantiques au-delà de la limite quantique. Les hauts facteurs de qualité et le petit volume de mode du résonateur supraconducteur développés pour une sensibilité accrue accroit également le couplage spin-résonateur jusqu'au point où les fluctuations quantiques ont un effet dramatique sur la dynamique des spins. En effet, l’émission spontanée de photons dans le résonateur micro-onde est considérablement renforcée par l'effet Purcell, ce qui en fait le mécanisme de relaxation de spin dominant. Le taux de relaxation est augmenté de trois ordres de grandeur lorsque les spins sont accordés à résonance, démontrant que la relaxation de spin peut-être contrôlée sur demande. Nos résultats fournissent une méthode nouvelle et universelle pour initialiser des systèmes de spin dans leur état fondamental, avec des applications en résonance magnétique et en information quantique.