Contrôle électronique ultra-rapide de l'impulsion à températures cryogéniques Synchronisation ultra-rapide, mise en forme d’impulsions et commutation efficace sont au cœur des mesures précises. L’objectif de ce projet de thèse est d’apporter le contrôle électronique ultra-rapide aux circuits nanométriques refroidis à des températures de l’ordre du mK. L’opération quantique rapide rapprochera le domaine de l’optique électronique quantique de son homologue photonique avec des applications pour un contrôle électronique rapide et efficace des dispositifs quantiques. Les dispositifs expérimentaux développés au cours de ce projet de thèse sont décrits et testés de manière à esquisser également les possibilités d’intégration dans les technologies quantiques. Dans un premier temps, une impulsion de tension de forme lorentzienne Γ = (76 ± 2) ps est mesurée de manière résolue dans le domaine temporel à des températures cryogéniques. Ensuite, les dérives de phase et d’amplitude sont analysées et optimisé avec le spectre de bruit. Un nouveau dispositif de génération d’impulsions utilisant un générateur de peigne est ensuite décrit et testé. Enfin, un futur réalisation d’une expérience d’interférence quantique par manipulation et détection dans un conducteur quantique est décrite, de même que les défis posés pour les dispositives quantiques à basse température et ses interconnexions.
Contrôle électronique ultra-rapide de l'impulsion à températures cryogéniques Synchronisation ultra-rapide, mise en forme d’impulsions et commutation efficace sont au cœur des mesures précises. L’objectif de ce projet de thèse est d’apporter le contrôle électronique ultra-rapide aux circuits nanométriques refroidis à des températures de l’ordre du mK. L’opération quantique rapide rapprochera le domaine de l’optique électronique quantique de son homologue photonique avec des applications pour un contrôle électronique rapide et efficace des dispositifs quantiques. Les dispositifs expérimentaux développés au cours de ce projet de thèse sont décrits et testés de manière à esquisser également les possibilités d’intégration dans les technologies quantiques. Dans un premier temps, une impulsion de tension de forme lorentzienne Γ = (76 ± 2) ps est mesurée de manière résolue dans le domaine temporel à des températures cryogéniques. Ensuite, les dérives de phase et d’amplitude sont analysées et optimisé avec le spectre de bruit. Un nouveau dispositif de génération d’impulsions utilisant un générateur de peigne est ensuite décrit et testé. Enfin, un futur réalisation d’une expérience d’interférence quantique par manipulation et détection dans un conducteur quantique est décrite, de même que les défis posés pour les dispositives quantiques à basse température et ses interconnexions.
Impulsions ultra-courte d'électron unique pour les qubits volants La seconde révolution quantique du XXe siècle a contribué à un essor technologique en physique du solide. Les techniques d'ingénierie des matériaux couplées à celles de nanofabrication moderne ont favorisé le perfectionnement de sources d'électrons uniques sur demande. De par leur incroyable précision, elles sont désormais utilisées en métrologie et leur potentiel s'étend au récent domaine de l'optique quantique électronique, notamment à un candidat prometteur pour l’information quantique : le qubit volant électronique. Ces bits quantiques sont créés par de courtes impulsions de tension et la manipulation de leur état quantique se fait à la volée. À ce jour, l’impulsion de tension la plus courte atteint 27 ps, sur puce, dans un environnement cryogénique. Cependant, en raison de l'atténuation et de la dispersion du signal dans les lignes coaxiales, l'accès à des régimes quantiques électroniques d’échelle temporelle plus rapide demeure hors de portée.En revanche, grâce à l'avènement des lasers à impulsions ultracourtes et aux progrès en photonique et plasmonique, la technologie des photocommutateurs peut permettre la génération d'impulsions électromagnétiques de l'ordre de la picoseconde. La large bande passante de ces technologies opto-électroniques THz pourrait venir à bout de la barrière technique à laquelle sont confrontés les équipements électroniques standards. Bien que largement développées dans le cadre d'applications à température ambiante, les démonstrations d'intégration de ces technologies à une architecture quantique en environnement cryogénique restent toujours peu nombreuses. La réalisation d'une telle expérience débloquerait de nouvelles voies de recherche pour l'étude des dynamiques des dispositifs quantiques électroniques en physique du solide.Dans ce manuscrit, nous présentons la mise au point d'une installation expérimentale pouvant générer des impulsions de tension picoseconde en environnement cryogénique pour des applications de qubits volants. Un laser femtoseconde génère des impulsions qui sont injectées dans des fibres optiques intégrées à basse température. Fabriqué à la surface de GaAs basse température (LT-GaAs), un photocommutateur est cointégré au circuit quantique formé à partir d'un gaz d'électrons bidimensionnels (2DEG) à haute mobilité. Du fait de la réponse opto-électronique extrêmement rapide du LT-GaAs, le photocommutateur convertit les impulsions optiques en impulsions de tension d'une durée de quelques picosecondes seulement. Grâce à des guides d'ondes coplanaires (CPW) THz, l'impulsion est acheminée vers le 2DEG, où elle est utilisée comme source d'électrons uniques ultracourts.Pour effectuer la mesure pompe-sonde et résoudre le profil dynamique de telles impulsions, une installation expérimentale originale, impliquant des positionneurs piézo-électriques et des protocoles d'alignement à basses températures, a été mise en place. Comme preuve de concept, nous rapportons d'abord la caractérisation à 300 K d'impulsions électroniques d'une durée de 1.9 ps. Dans un deuxième temps, nous refroidissons le système à 4K, élargissant la preuve de concept aux environnements cryogéniques par la mesure d'impulsions de 2.3 ps. Ensuite, en intégrant une structure 2DEG au circuit THz, des excitations de plasmons THz ont pu être observées dans une cavité Fabry-Pérot. La fréquence de leur mode fondamental a été comparée à un modèle analytique, révélant des informations sur la densité de porteur du gaz électronique sous illumination. Parallèlement, des développements importants ont été menés sur la conception des CPWs dans le but de minimiser les réflexions indésirables du signal ainsi que les pertes par dispersion. Ces travaux ouvriront la voie à l'intégration d'impulsions de tension picoseconde dans les dispositifs quantiques nanoélectroniques et le contrôle de qubits volants électroniques par des grilles électrostatiques THz ultrarapides.
Interférence quantique avec des impulsions de tensions ultracourtes Les interférences quantiques sont une pierre angulaire de la physique quantique, fournissant des informations profondes sur la dualité onde-particule et la cohérence quantique. Dans les systèmes mésoscopiques, les interférences ont principalement été étudiées dans le régime DC, en utilisant des anneaux Aharonov-Bohm et des interféromètres de Mach-Zehnder électroniques (MZI). Dans cette limite adiabatique, où le champ appliqué est constant, la cohérence de phase et les mécanismes de décohérence ont été largement étudiés. Cependant, avec l'avènement de l'optique quantique électronique et le développement de sources d'électrons à la demande, il est désormais possible de générer des impulsions de tension ultra-courtes induisant des excitations plasmoniques qui se propagent dans des conducteurs quantiques. Cela permet d'accéder à de nouveaux régimes dynamiques, où la dynamique interne du système peut être sondée, offrant des possibilités passionnantes pour étudier la cohérence et les interférences quantiques au niveau de l'électron unique.Cette thèse se concentre sur l'étude de la cohérence quantique des excitations plasmoniques ultra-courtes et des interférences quantiques au-delà de la limite adiabatique. Nos travaux ont abouti au développement et à l'optimisation d'un MZI électronique de 14 µm de longueur, basé sur une hétérostructure GaAs/AlGaAs. Ce processus, appuyé par des simulations électrostatiques réalistes et le développement de techniques avancées de nanofabrication, ouvre la voie à la réalisation de dispositifs quantiques plus complexes à l'avenir.Parallèlement, nous avons développé une source d'électrons à la demande, basée sur la génération d'impulsions de tension ultra-courtes via la synthèse de Fourier en utilisant un peigne de fréquence. Nous démontrons son application en réalisant des mesures résolues en temps des excitations plasmoniques avec des largeurs d'impulsions aussi courtes que 25 ps, mesurées directement in situ au niveau de l'échantillon dans des conditions cryogéniques. La polyvalence de notre source, combinée à sa stabilité et à la génération précise de formes d'onde quelconque, en fait un excellent outil pour les expériences d'optique quantique électronique.La caractérisation approfondie de notre MZI électronique en régime DC a démontré des oscillations cohérentes sur toute la longueur du dispositif, établissant une longueur de cohérence substantielle de 80 µm. Nous avons mis en évidence l'émergence d'une non-linéarité, induite par la dépendance en énergie du séparateur de faisceau électronique (beam splitter) au sein du MZI. Cette non-linéarité explique l'observation d'oscillations cohérentes dans la partie non-linéaire du courant, un comportement reproduit et compris grâce à nos simulations de transport quantique.Exploitant cette non-linéarité, nous avons étudié la réponse AC du MZI par rectification quantique. En utilisant des excitations sinusoïdales, nous démontrons l'entrée dans le régime dynamique à 1 GHz, sondant directement l'échelle de temps caractéristique du dispositif. Notamment, nous atteignons une cohérence quantique avec des impulsions aussi courtes que 30 ps et offrons des perspectives sur la cohérence en fonction de la largeur des impulsions.Nos résultats montrent que nous atteignons le régime de faible nombre d'électrons, soutenus par des simulations de transport quantique et des calculs basés sur la théorie de Floquet pour le transport dépendant du temps, qui corroborent nos observations expérimentales. Notre travail pose une base solide pour une multitude de nouvelles expériences à l'échelle de l'électron unique, telles que la mise en œuvre de protocoles de téléportation quantique pour des états d'électrons uniques et la génération à la demande d'intrication.
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.
La dynamique d'un système quantique est très sensible à la dimensionnalité. Alors que les systèmes électroniques à deux dimensions forment les liquides de Fermi, les systèmes à une dimension - les liquides de Tomonaga – Luttinger - sont décrits par des excitations purement bosoniques, même s’ils sont initialement constitués de fermions. Avec l'avènement de sources cohérentes à un seul électron, la dynamique quantique d'un tel liquide est maintenant accessible au niveau d'un seul électron.Dans ce travail de thèse, nous étudions le cas le plus général où le système peut être réglé en continu d’un liquide à un canal Tomonaga – Luttinger à un liquide de Fermi à plusieurs canaux dans un système non chiral. Nous utilisons des techniques de mesure résolues en temps pour déterminer le temps de vol d'un pulse électronique à un seul électron et extraire la vitesse d'excitation de la charge collective.L'analyse de la vitesse de propagation permet de révéler les effets collectifs qui régissent la physique dans notre système quasi unidimensionnel. Notre modélisation détaillée de l'électrostatique de l'échantillon nous permet de construire et de comprendre les excitations du système dans une théorie sans paramètres. Nous montrons que nos calculs auto-cohérent explique bien les mesures et valident la construction des modes collectifs bosoniques à partir des degrés de liberté fermioniques.Le contrôle temporel présenté des impulsions à un seul électron au niveau de la picoseconde sera également important pour la mise en œuvre d'architectures de guide d'ondes pour les qubits volants utilisant un seul électron. L’intégration d’une source de leviton dans un interféromètre à guide d’ondes permettrait de réaliser des architectures de qubits volants à un électron similaires à celles utilisées en optique quantique linéaire. De plus, nos études ouvrent la voie à l’étude de la dynamique en temps réel d’un dispositif nanoélectronique quantique, telle que la mesure de l’étalement temporel ou de la dynamique de fractionnement de la charge du paquet d’ondes électroniques pendant la propagation.
Les atomes individuels piégés dans des pinces optiques constituent une plateforme prometteuse pour la réalisation de simulations quantiques. Dans l'approche analogique, les interactions entre les atomes excités vers des états de Rydberg permettent de reproduire le comportement d'un système quantique que l'on souhaite étudier et pour lequel les ressources en simulation d'un ordinateur classique deviennent rapidement limitées. Une autre approche, dite de simulation digitale, vise quant à elle à directement utiliser les atomes comme briques de base pour implémenter des portes quantiques, ouvrant le champ à de nouveaux algorithmes pouvant offrir un avantage en complexité sur certains problèmes. L'un des défis majeurs pour développer cette technologie est le passage à l'échelle du nombre d'atomes contrôlés, de quelques centaines à plusieurs milliers. La mise en place d'une expérience en environnement cryogénique est une solution possible à ce problème, en permettant d'augmenter considérablement la durée de vie des atomes dans les pinces optiques et donc le temps effectif pendant lequel ils peuvent être manipulés sans perte. Un autre avantage apporté par un système cryogénique est l'augmentation du temps de cohérence des atomes de Rydberg en réduisant le rayonnement du corps noir, qui peut introduire des transitions non désirées pendant le calcul quantique. Durant ma thèse, nous avons repris la plateforme cryogénique développée par Kai-Niklas Schymik dans laquelle un temps de vie de ∼ 6000 s d'un atome dans une pince a été mesuré mais pour laquelle le système optique intégré à 4 K ne permettait pas de générer de grandes matrices de pièges. Nous avons donc modifié le système optique sous vide pour intégrer des objectifs de microscope permettant une meilleure qualité optique dans le champ transverse pour la création de pièges. Dans ce manuscrit, nous évoquons les complications liées à la combinaison d'objectifs à haute ouverture numérique avec un système cryogénique. Une première itération de design a permis la génération d'un grand nombre de pièges (∼ 2000) dans un environnement partiellement cryogénique, mais sans pour autant conserver des durées de vie élevées des atomes dans les pinces. Ces derniers valaient au mieux ∼ 800 s puis se dégradaient au bout de quelques jours vers quelques dizaines de secondes. L'étude de ce système nous a permis de finalement mieux comprendre les mécanismes en jeux dans une cryopompe et de construire un nouveau cœur optique offrant à la fois une haute performance en termes de niveau de vide (∼ 5000 s de temps de vie) et en termes du nombre de pièges optiques pouvant être générés (> 2000). De premiers résultats ont permis de démontrer dans ce nouveau système l'assemblage avec une unique pince mobile de 1024 atomes uniques avec une fidélité élevée (dans ∼ 10 % des cas sans aucun défaut). L'utilisation d'une telle plateforme cryogénique de pair avec le développement de nouvelles techniques d'assemblage ouvre la voie à des avancées majeures en matière de passage à l'échelle pour une technologie quantique.
Cette thèse présente l'étude théorique et expérimentale de la mise en forme et de la caractérisation d'impulsions courtes dans l'ultraviolet ainsi que l'utilisation du façonnage pour le contrôle cohérent de systèmes simples. \nTrois grandes directions ont été suivies, dans un premier temps, nous présentons les caractéristiques et le fonctionnement d'un filtre dispersif acousto-optique programmable et son utilisation pour produire des impulsions femtosecondes de profil temporel arbitraire dans le domaine ultraviolet. Les limitations de ce dispositif ainsi que les résultats obtenus sont ensuite présentés et discutés. \nDans un deuxième temps, un autre façonneur dans l'infrarouge est utilisé pour montrer comment le contrôle cohérent de paquet d'ondes atomiques, moléculaires ou optiques permet la factorisation de grands nombres par l'utilisation d'une somme de Gauss. Une étude théorique en est faite ainsi que des expériences ou un nombre de 13 chiffres est factorisé. Cette technique est comparée à la factorisation quantique utilisant l'algorithme de Shor. \nEnfin, des schémas de contrôle, utilisant ce même façonneur, ont été mis en œuvre avec succès sur l'atome de rubidium. Ces expériences, de type pompe-sonde, reposent sur le contrôle et la mesure de la dynamique d'un atome lors de son interaction avec une impulsion laser courte. La théorie et une expérience de contrôle du régime transitoire, que nous appelons transitoire cohérent, sont présentées. Le rôle de la sonde, dans le processus de mesure, est mis en avant et nous montrons qu'elle n'a pas un rôle limité à la mesure mais participe activement a la dynamique globale du système. Celui-ci est modélisé par une transition a deux photons sur un système a deux, trois... niveaux électroniques. Cette expérience nous amène à considérer l'absorption à deux photons, cas particulier des systèmes précédents. Nous en introduisons alors les bases et les expériences clés de son contrôle. Puis, la discussion nous amène au contrôle de la précession de Spin-Orbite, liée a l'excitation d'un doublet de structure fine de l'atome de rubidium. \nFinalement, une application du façonnage à la production de molécules froides vibrationnelles est présentée.