Transport d'information de spin à l'échelle de l'électron unique L'usage du spin des électrons pour le traitement de l'information est devenu un vaste sujet de recherche aujourd'hui, notamment grâce aux nombreuses possibilités qui en découlent. Les recherches actuelles s'étendent de la génération de courants polarisés en spin à la manipulation cohérente de spin d'électrons uniques dans des boîtes quantiques, avec des applications en électronique de spin ou en information quantique. L'objectif de cette thèse est d'étendre le développement de l'électronique de spin à l'échelle de l'électron unique. Pour cela, nous cherchons à accomplir le transport cohérent d'un spin d'électron entre deux boites quantiques. Cela constituerait un moyen prometteur d'interconnecter les différents nœuds d'un nanoprocesseur quantique. Le principe utilisé repose sur l'emploi d'ondes acoustiques de surface qui, grâce aux propriétés piézoélectriques du matériau, permettent la génération de boites quantiques en mouvement. Tout d'abord, une étude de l'injection d'un électron dans une de ces boites quantiques en mouvement a été effectuée. Le contrôle à la nanoseconde de ce processus a été démontré grâce à l'application de pulses de tension modifiant pendant un bref instant le potentiel qui confine l'électron. Dans un deuxième temps, la préparation d'une superposition cohérente d'états de spin a été réalisée à l'aide d'une double boite quantique isolée, dans une position compatible avec le transport par onde acoustique de surface. Enfin, le transport d'information de spin, codée sur un unique ou sur deux électrons, a été accompli avec une fidélité atteignant 30%.
Transport d'information de spin à l'échelle de l'électron unique L'usage du spin des électrons pour le traitement de l'information est devenu un vaste sujet de recherche aujourd'hui, notamment grâce aux nombreuses possibilités qui en découlent. Les recherches actuelles s'étendent de la génération de courants polarisés en spin à la manipulation cohérente de spin d'électrons uniques dans des boîtes quantiques, avec des applications en électronique de spin ou en information quantique. L'objectif de cette thèse est d'étendre le développement de l'électronique de spin à l'échelle de l'électron unique. Pour cela, nous cherchons à accomplir le transport cohérent d'un spin d'électron entre deux boites quantiques. Cela constituerait un moyen prometteur d'interconnecter les différents nœuds d'un nanoprocesseur quantique. Le principe utilisé repose sur l'emploi d'ondes acoustiques de surface qui, grâce aux propriétés piézoélectriques du matériau, permettent la génération de boites quantiques en mouvement. Tout d'abord, une étude de l'injection d'un électron dans une de ces boites quantiques en mouvement a été effectuée. Le contrôle à la nanoseconde de ce processus a été démontré grâce à l'application de pulses de tension modifiant pendant un bref instant le potentiel qui confine l'électron. Dans un deuxième temps, la préparation d'une superposition cohérente d'états de spin a été réalisée à l'aide d'une double boite quantique isolée, dans une position compatible avec le transport par onde acoustique de surface. Enfin, le transport d'information de spin, codée sur un unique ou sur deux électrons, a été accompli avec une fidélité atteignant 30%.
L’informatique quantique est un domaine d’intérêt croissant, notamment à Grenoble avec une concentration exceptionnelle de chercheurs et groupes industriels impliqués dans ce domaine. L’objectif global est de développer un nouveau type de nano-processeur, basé sur des propriétés quantiques. Son bloc élémentaire est un système quantique à deux niveaux (le qubit), dans notre cas le spin d'électrons piégés dans une boîte quantique.Dans la quête d’une architecture à large échelle, un ordinateur quantique en réseau offre un chemin naturel vers l’évolutivité. En effet, séparer le calcul dans des cœurs quantiques interconnectés par des médiateurs quantiques cohérents simplifierai grandement les contraintes d’adressabilité. Ces liens quantiques devraient offrir une connexion rapide et cohérente entre des cœurs arbitraires, permettant de créer un état intriqué utilisant tout le circuit quantique. Dans les circuits quantiques à base de semiconducteurs, l’intrication entre plus proches voisins a déjà été démontrée, et plusieurs méthodes ont été proposées pour réaliser un couplage à distance. Parmi elles, une implémentation possible de ce médiateur quantique consiste à préparer un état intriqué et transférer individuellement des spins électroniques à travers la structure, à condition que ce transfert préserve l’intrication.Dans cette thèse, nous démontrons le transfert rapide et cohérent de qubits de spin électronique à travers un long canal de 6.5 μm, dans une hétérostructure GaAs/AlGaAs. En utilisant le potentiel se propageant avec par une onde acoustique de surface, nous transférons séquentiellement deux spins électroniques formant initialement un état singulet. Durant le déplacement, chaque spin subit une rotation cohérente due à l’interaction spin-orbite, sur une durée plus courte que tout processus de décohérence. En variant le temps de séparation des électrons et le champ magnétique appliqué, nous observons des interférences quantiques qui prouvent la nature cohérente de l’état initial et de la procédure de transfert.Nous montrons que cette expérience est analogue à une mesure de Bell, et nous permet de quantifier l’intrication entre les deux spins électroniques lorsqu’ils sont séparés, démontrant que ce déplacement rapide et à longue portée est une procédure efficace pour propager une intrication quantique au sein des futures structures à large échelle.
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.
Transport cohérent à longue distance de spin électroniques intriqués L’informatique quantique est un domaine d’intérêt croissant, notamment à Grenoble avec une concentration exceptionnelle de chercheurs et groupes industriels impliqués dans ce domaine. L’objectif global est de développer un nouveau type de nano-processeur, basé sur des propriétés quantiques. Son bloc élémentaire est un système quantique à deux niveaux (le qubit), dans notre cas le spin d'électrons piégés dans une boîte quantique.Dans la quête d’une architecture à large échelle, un ordinateur quantique en réseau offre un chemin naturel vers l’évolutivité. En effet, séparer le calcul dans des cœurs quantiques interconnectés par des médiateurs quantiques cohérents simplifierai grandement les contraintes d’adressabilité. Ces liens quantiques devraient offrir une connexion rapide et cohérente entre des cœurs arbitraires, permettant de créer un état intriqué utilisant tout le circuit quantique. Dans les circuits quantiques à base de semiconducteurs, l’intrication entre plus proches voisins a déjà été démontrée, et plusieurs méthodes ont été proposées pour réaliser un couplage à distance. Parmi elles, une implémentation possible de ce médiateur quantique consiste à préparer un état intriqué et transférer individuellement des spins électroniques à travers la structure, à condition que ce transfert préserve l’intrication.Dans cette thèse, nous démontrons le transfert rapide et cohérent de qubits de spin électronique à travers un long canal de 6.5 μm, dans une hétérostructure GaAs/AlGaAs. En utilisant le potentiel se propageant avec par une onde acoustique de surface, nous transférons séquentiellement deux spins électroniques formant initialement un état singulet. Durant le déplacement, chaque spin subit une rotation cohérente due à l’interaction spin-orbite, sur une durée plus courte que tout processus de décohérence. En variant le temps de séparation des électrons et le champ magnétique appliqué, nous observons des interférences quantiques qui prouvent la nature cohérente de l’état initial et de la procédure de transfert.Nous montrons que cette expérience est analogue à une mesure de Bell, et nous permet de quantifier l’intrication entre les deux spins électroniques lorsqu’ils sont séparés, démontrant que ce déplacement rapide et à longue portée est une procédure efficace pour propager une intrication quantique au sein des futures structures à large échelle.
La double boîte quantique (DBQ) à électron unique sur silicium est une architecture très prometteuse pour la réalisation d'un qubit physique. D'une part, les très longs temps de cohérence du spin électronique sur semiconducteurs du groupe IV permettent la fabrication de qubits ayant de très longs temps de vie. D'autre part, la susceptibilité électrique des états de charge d'un électron unique dans une DBQ permet de manipuler rapidement l'état du qubit par résonance magnétique de spin, ou encore de faire interagir plusieurs spins distants via un résonateur micro-ondes pour une connectivité accrue au sein du processeur quantique. Un couplage entre les degrés de liberté de spin et de charge de l'électron, médié par le gradient de champ magnétique engendré par un microaimant, permet la réalisation d'un qubit dont le caractère de spin ou de charge peut être contrôlé dynamiquement par la modulation des tensions des grilles du dispositif. Cette versatilité propre à l'architecture, combinée à l'infrastructure déjà en place à l'échelle mondiale pour la fabrication de dispositifs en silicium, font de la DBQ un candidat de qubit très intéressant. L'opération optimale de ce type de qubit dans le cadre d'un calcul quantique requiert toutefois un degré de contrôle accru sur son régime d'opération, caractérisé par les tensions appliquées aux grilles métalliques qui définissent la DBQ. De façon générale, la modification du hamiltonien d'un système quantique est faite de façon adiabatique, ce qui permet de changer l'espacement relatif des niveaux d'énergie permis sans modifier la population relative de ces états. Or, des travaux dans le domaine du contrôle quantique ont montré que l'application de signaux de contrôle exotiques optimaux permettent d'exécuter ce type de manipulation sans avoir recours au régime adiabatique, atteignant une fidélité d'état plus élevée ou encore des séquences de transfert plus rapides. Les travaux de recherche détaillés dans le présent mémoire portent sur la mise en place d'un protocole permettant la conception de signaux de contrôle pour la manipulation haute-fidélité du régime d'opération d'un qubit de spin à électron unique sur double boîte quantique. Le protocole repose sur la méthode d'optimisation GRAPE (\textit{GRadient Ascent Pulse Engineering}) pour générer des séquences de contrôle qui modifient le caractère de spin ou de charge du qubit, tout en préservant avec haute fidélité l'information quantique qui y est encodée. Ces signaux de contrôle permettent de transférer le système d'une configuration de spin à une configuration de charge près de quatre fois plus rapidement dans le cas où l'état du qubit est un état-propre de son hamiltonien, et avec une réduction de l'erreur de fidélité de plus de 80% pour un état logique arbitraire.
Expériences d'optique quantique électronique à l'échelle d'une seule particule Au cours des 25 dernières années, il n'y a eu que quelques rapports sur des expériences de type optique quantique avec des électrons.Les progrès réalisés dans ce récent domaine de recherche ont permis de mettre au point des techniques originales pour piéger, déplacer et manipuler les électrons dans des dispositifs à l'état solide.Ces progrès ouvrent de nouvelles perspectives pour l'étude de phénomènes quantiques fascinants tels que l'effect tunnel ou l'intrication avec les électrons.En raison de la contrôlabilité exigée dans les implémentations possibles de circuits logiques quantiques, il est maintenant particulièrement intéressant de réaliser des expériences d'optique quantique électronique avec des électrons volants uniques.Dans cette thèse, nous abordons deux expériences liées, mais conceptuellement différentes, d'optique quantique électronique au niveau de la particule unique.Toutes les expériences menées dans le cadre de cette thèse ont été réalisées à des températures cryogéniques avec des dispositifs définis par Schottky-gates dans des hétérostructures AlGaAs/GaAs.Tout d'abord, nous effectuons une expérience d'interférence d'électrons de type Mach-Zehnder dans le régime de transport balistique.En formant un grand point quantique dans l'une des branches de l'interféromètre, nous étudions le déphasage de la fonction d'onde d'un électron transmis de façon résonnante.Au cours de nos mesures, nous trouvons des signatures d'un comportement de transmission qui reflète les symétries internes des états propres des boîtes quantiques.Nos résultats mettent en lumière la question de longue date d'un comportement de phase de transmission universelle dans des boîtes quantiques en grand taille.Nous avons ainsi posé un jalon important vers une compréhension globale de la transmission par résonance d'électrons volants simples par des boîtes quantiques.Dans une deuxième expérience, nous allons au-delà du régime de transport balistique.Nous utilisons des ondes acoustiques de surface pour transporter un seul électron entre les boîtes quantiques définies par la grille de surface dans un circuit couplé par l'effect tunnel.Nous développons deux blocs de base essentiels pour partitionner et coupler les électrons volants simples dans un tel circuit piloté par le son.En dépassant une efficacité de transfert simple de 99 %, nous montrons qu'un circuit électronique quantique piloté par le son est réalisable à grande échelle.Nos résultats ouvrent la voie à des opérations de logique quantique avec des qubits d'électrons volants qui surfent sur une onde acoustique.
L'émergence de technologies quantiques est favorisée par les progrès dans la manipulation et le contrôle de qubits uniques. Ces technologies se construisent autour des principes fondamentaux de la physique quantique, que sont la superposition d'états, l'intrication et la mesure projective. Un réseau quantique reliant des qubits stationnaires via des canaux photoniques pourrait permettre de surpasser les protocoles de communication et de calcul classiques. Une interface entre des qubits matériels stationnaires et des qubits photoniques messagers serait alors indispensable pour faire circuler l'information quantique dans le réseau.Nous présentons ici le développement d'une interface à l'état solide, où un qubit de spin stationnaire, un électron ou un trou unique piégé dans une boîte quantique semi-conductrice, interagit avec un qubit photonique dans une cavité micropilier. L'interaction spin-photon se produit via la rotation Faraday induite sur la polarisation des photons réfléchis, et dépendante de l'état du spin. Une fois amplifié par la cavité, cet effet peut permettre de transférer la totalité de l'information depuis l'état du spin vers l'état de polarisation des photons, réalisant une interface spin-photon.Nous commençons par décrire la fabrication des dispositifs. Les propriétés de leur hétérostructure planaire déterminent, d'une part, la structure de bande, et donc la possibilité d'injecter électriquement ou optiquement une charge unique dans la boîte quantique. D'autre part, elles déterminent les spécificités optiques de la cavité, optimisée pour amplifier l'interaction spin-photon tout en extrayant une majeure partie des photons par le canal d'intérêt. Afin d'amplifier l'interaction lumière-matière, la technique de lithographie in-situ développée au C2N permet un couplage spatial et spectral de la cavité à la transition désirée de la boîte quantique.Les dispositifs ainsi réalisés sont dans un premier temps caractérisés par tomographie de polarisation, afin de reconstruire dans l'état stationnaire l'état de polarisation complet des photons réfléchis. Les rotations Faraday géantes déduites en font des candidats de choix pour une interface spin-photon. Nous estimons également l'intensité du bruit ainsi que les points de fonctionnement optimaux en termes d'énergie des photons incidents et de polarisations réfléchies associées aux états propres de spin.Ensuite, nous accédons à la dynamique des photons réfléchis grâce aux corrélations croisées mesurées dans des polarisations complémentaires, ce qui permet de remonter à la dynamique du spin avec lequel ils ont interagi. Les contributions des dynamiques de charge et de spin peuvent être isolées en fonction des polarisations mesurées, et les sources de bruits rapides et lents sont identifiées. L'ensemble de ces résultats expérimentaux est comparé aux prédictions théoriques via une simulation basée sur l'équation maîtresse, permettant de comprendre et caractériser les processus en jeu. Celle-ci reproduit une majorité des observations, et fournit une estimation de l'efficacité de l'interface spin-photon en quantifiant la projection de spin induite par la détection des photons.Les deux dispositifs étudiés révèlent les différences entre interfaces spin-photons basées sur un électron ou un trou et l'impact de l'hétérostructure qui les entoure. En effet, la faible sensibilité des trous aux fluctuations de spins nucléaires leur confère un temps de vie plus long que celui des électrons. Cependant, le choix d'une injection électrique des électrons dans la boîte quantique induit une meilleure stabilité que l'injection optique (choisie pour les trous) en les protégeant des bruits électriques lents. En parallèle, un régime radiatif transitoire rapide qui suit la projection de spin est susceptible de brouiller les dynamiques les plus rapides. Ceci oriente vers des dispositifs basés sur le spin d'un trou avec une injection électrique pour concrétiser des interfaces spin-photon idéales.