La technologie des détecteurs de photon unique a suscité un intérêt croissant au cours de la dernière décennie. Une des raisons majeures de cette tendance sont les applications en communication quantique, telles que la distribution de clés quantiques, qui nécessitent des détecteurs à hautes performances. Les détecteurs de photon unique à nanofils supraconducteurs (SNSPD) sont sensibles aux photons uniques aux longueurs d'onde allant des rayons X jusqu'à l'infrarouge moyen et offrent des performances inégalées sur de nombreux aspects. Ils présentent généralement des efficacités très élevées sur une large gamme de longueurs d'onde, ainsi qu'un faible bruit, une gigue temporelle faible, et un taux de répétition élevé. Le travail présenté dans cette thèse couvre tous les aspects essentiels des SNSPDs fabriqués en molybdène-silicium (MoSi). Alors que la nano-fabrication, la caractérisation, la recherche des limites intrinsèques et le mécanisme de détection constituent le cœur de ce travail, la motivation principale à l'origine de cette thèse a toujours été de fournir des détecteurs de photon unique performants pour des applications de communication quantique exigeantes effectuées au sein même du groupe. Malgré un grand nombre de travaux expérimentaux visant à améliorer les performances des SNSPD depuis leur invention, une description complète du mécanisme de détection n'a pas encore été établie. La motivation principale de la première partie de cette thèse est d'apporter une réponse à cette question. Les hautes performances obtenues sont discutées dans la deuxième partie de ce manuscrit, où sont présentés des détecteurs combinant une efficacité de détection élevée (> 85 %) et une gigue temporelle faible (<30 ps). La troisième partie de cette thèse porte sur l'étude des limites intrinsèques et fondamentales de la gigue temporelle, en partie réalisée au Jet Propulsion Laboratory de la NASA (USA). Notre travail a notamment montré qu'il existe un compromis entre la gigue temporelle, le courant de verrouillage, l'inductance cinétique et, par conséquent, l'efficacité des détecteurs. Après avoir optimisé le rapport signal sur bruit en réglant les inductances cinétiques en série tout en contrôlant l'effet de verrouillage, nous avons obtenu une gigue temporelle minimale de 6.0 ps à 532 nm et de 10.6 ps à 1550 nm. Enfin, des résultats très récents et prometteurs sur le taux de comptage maximum sont présentés en dernière partie. Les résultats préliminaires sur des détecteurs fabriqués à partir de nitrure de niobium-titane (NbTiN) sont également discutés, ouvrant la porte à de nouvelles opportunités et améliorations dans le domaine des SNSPD.
La technologie des détecteurs de photon unique a suscité un intérêt croissant au cours de la dernière décennie. Une des raisons majeures de cette tendance sont les applications en communication quantique, telles que la distribution de clés quantiques, qui nécessitent des détecteurs à hautes performances. Les détecteurs de photon unique à nanofils supraconducteurs (SNSPD) sont sensibles aux photons uniques aux longueurs d'onde allant des rayons X jusqu'à l'infrarouge moyen et offrent des performances inégalées sur de nombreux aspects. Ils présentent généralement des efficacités très élevées sur une large gamme de longueurs d'onde, ainsi qu'un faible bruit, une gigue temporelle faible, et un taux de répétition élevé. Le travail présenté dans cette thèse couvre tous les aspects essentiels des SNSPDs fabriqués en molybdène-silicium (MoSi). Alors que la nano-fabrication, la caractérisation, la recherche des limites intrinsèques et le mécanisme de détection constituent le cœur de ce travail, la motivation principale à l'origine de cette thèse a toujours été de fournir des détecteurs de photon unique performants pour des applications de communication quantique exigeantes effectuées au sein même du groupe. Malgré un grand nombre de travaux expérimentaux visant à améliorer les performances des SNSPD depuis leur invention, une description complète du mécanisme de détection n'a pas encore été établie. La motivation principale de la première partie de cette thèse est d'apporter une réponse à cette question. Les hautes performances obtenues sont discutées dans la deuxième partie de ce manuscrit, où sont présentés des détecteurs combinant une efficacité de détection élevée (> 85 %) et une gigue temporelle faible (<30 ps). La troisième partie de cette thèse porte sur l'étude des limites intrinsèques et fondamentales de la gigue temporelle, en partie réalisée au Jet Propulsion Laboratory de la NASA (USA). Notre travail a notamment montré qu'il existe un compromis entre la gigue temporelle, le courant de verrouillage, l'inductance cinétique et, par conséquent, l'efficacité des détecteurs. Après avoir optimisé le rapport signal sur bruit en réglant les inductances cinétiques en série tout en contrôlant l'effet de verrouillage, nous avons obtenu une gigue temporelle minimale de 6.0 ps à 532 nm et de 10.6 ps à 1550 nm. Enfin, des résultats très récents et prometteurs sur le taux de comptage maximum sont présentés en dernière partie. Les résultats préliminaires sur des détecteurs fabriqués à partir de nitrure de niobium-titane (NbTiN) sont également discutés, ouvrant la porte à de nouvelles opportunités et améliorations dans le domaine des SNSPD.
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.
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.
Développement de détecteurs de photons uniques supraconducteurs intégrés sur guide silicium pour l'information quantique Le traitement quantique de l'information apporte de nouveaux protocoles et de nouvelles fonctionnalités dans le domaine des communications en garantissant une sécurité absolue du transfert de l'information et dans le domaine du calcul, avec la perspective d'effectuer très rapidement des calculs massivement parallèles. La deuxième révolution quantique est amorcée car ces concepts sortent des laboratoires théoriques pour devenir des applications industrielles concrètes grâce aux technologies intégrées. Les photons constituent un excellent support de l'information quantique pour ces deux applications. Trois composants-clés sont nécessaires : une source de photons uniques, un circuit passif reconfigurable permettant de les manipuler et un détecteur de photons uniques. L'objectif de cette thèse est de concevoir, fabriquer et caractériser des détecteurs de photons uniques supraconducteurs intégrés sur silicium, présentant une grande largeur spectrale autour de la longueur d'onde telecom de 1.55 µm, avec une absorption supérieure à 95% et la possibilité de résoudre le nombre de photons reçus. Cette thèse sera effectuée en collaboration entre l'INAC et le département d'optique et photonique du Leti, permettant d'allier les expertises et savoir-faire complémentaires des deux laboratoires. Cette thèse sera effectuée en parallèle de développements de sources de photons uniques intégrées sur silicium et apportera une brique essentielle pour l'intégration sur la même puce d'un circuit complet permettant de générer, manipuler et détecter des photons uniques pour les communications sécurisées et le calcul quantique.
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.
Un détecteur à haute inductance cinétique de photon micro-onde 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.
Les émetteurs quantiques capables de fonctionner à haute-fidélité et à haut débit sont la pierre angulaire des technologies quantiques photoniques, qui exigent une précision croissante dans la manipulation de qubits uniques. Les émetteurs capables d'héberger un spin sont particulièrement intéressants pour les réseaux de communication quantique et l'informatique quantique, car ils exploitent la ressource clé que constitue l'intrication spin-photon. Dans ce contexte, les boîtes quantiques (BQ) semiconductrices auto-assemblées sont devenues des candidats prometteurs pour les interfaces spin-photon en raison de leurs propriétés optiques exceptionnelles. Néanmoins, les temps de cohérence courts du spin limitent fortement le potentiel de cette plateforme. De meilleures stratégies pour atténuer les fluctuations de l'environnement et découpler le spin de celles-ci sont nécessaires pour améliorer ses performances. À cet égard, la spectroscopie du bruit de spin (SNS) est devenue une technique clé pour obtenir des informations sur l'environnement du spin dans les systèmes atomiques et à l'état solide via la mesure de signaux polarimétriques tels que la rotation de la polarisation de Faraday. Cependant, le faible signal d'un seul spin a limité la plupart des applications de la SNS aux ensembles de spins. Dans ce manuscrit, nous présentons une nouvelle technique SNS basée sur la mesure de spins uniques via la détection de photons uniques. Nous démontrons des mesures de bruit de spin dans le régime ultrarapide au-dessus du niveau des 10 GHz, dépassant les limites traditionnelles de bande passante avec une sensibilité sans précédent.Notre approche repose sur l'interaction spin-photon renforcée par la cavité, augmentant de plusieurs ordres de grandeur les signaux polarimétriques à partir d'un seul spin. Des rotations de polarisation, dépendantes du spin, des photons réfléchis par l'interface sont observées jusqu'à π, ce qui permet de cartographier les fluctuations de spin en fluctuations de polarisation et de détecter optiquement les mécanismes de bruit de spin. De manière cruciale, le signal SNS correspond aux photons uniques. Par conséquent, les corrélations peuvent être directement calculées entre les événements de détection de photons uniques, plutôt qu'extraites des mesures d'intensité moyenne, ce qui améliore considérablement la largeur de bande de détection. En fin de compte, la résolution temporelle n'est limitée que par la gigue temporelle des détecteurs de photons uniques.Dans ce manuscrit, nous présentons cette nouvelle approche SNS pour l'étude des mécanismes de bruit des spins d'électrons et de trous dans une BQ. Nous mesurons des signaux allant de quelques MHz à des dizaines de GHz corrélant des événements de détection de photons uniques. Parallèlement, nous développons les outils théoriques permettant d'identifier et de caractériser les principaux mécanismes de décohérence des spins dans ce système. Les fonctions de corrélation mesurées sont comparées à des simulations qui calculent la matrice de densité du système conditionnelle à la détection d'un photon. Les signaux SNS correspondent bien au modèle numérique, décrivant une dynamique de spin non triviale qui ne peut être reproduite par des ajustements phénoménologiques lorentziens des spectres de bruit de spin. En fin de compte, cette technique vise à sonder les mécanismes de bruit des systèmes de spin, non limités aux BQs, afin de développer des stratégies d'atténuation plus efficaces et des séquences de découplage qui améliorent leurs performances. Ce travail est également le point de départ d'études fondamentales portant sur la rétroaction quantique induite sur des spins uniques par la détection de photons.