La génération d'objets quantiques intriqués est inévitable pour l'exploration de l'information quantique dans les systèmes de la matière condensée. Alors que des expériences de non-localité on été menées, avec succès, à partir de photons intriqués, il n'a pas encore été possible de réaliser leurs analogues électroniques dans les matériaux solides, où les fermions sont les objets quantiques à intriqués. Les paires de Cooper dans les supraconducteurs sont des candidats prometteurs pour réaliser une source d'électrons intriqués. L'intrication non-local est la clé de voûte et elle peut être induite par le processus de réflexion d'Andreev croisée. Ce phénomène sépare une paire de Cooper en deux électrons, dont les spins sont intriqués, dans deux conducteurs séparés spatialement.J'ai étudié un système composé de trois électrodes supraconductrices (Al) connectées par un métal normal (Cu) formant ainsi une tri-jonction Josephson. De nouvelles structures, dans cette nano-structure hybride, apparaissent dans la conductance différentielle lorsque deux terminaux sont polarisées par des potentiels opposés l'un par rapport à l'autre. Ces anomalies correspondent à des phénomène de transport de paires de Cooper corrélées et sont consistantes avec la prédictiondes Quartets formés par la séparation simultanée de deux paires de Cooper d'un réservoir supraconducteur vers les deux autres électrodes.Dans le but d'expérimenter la cohérence quantique de ces structures, j'ai irradié la tri-jonction à l'aide d'une micro-onde de 14 GHz à très basse température. Des résonances Shapiro apparaissent lorsque la fréquence de la micro-onde est équivalente à la fréquence des courants AC Josephson générés en appliquant des tensions à travers la tri-jonction.Mon étude révèle que les anomalies de type Quartet présentent aussi des résonances Shapiro. Ce résultat démontre que le phénomène de Quartet est un mécanisme quantique cohérent confirmant la séparation cohérente de deux pairs de Cooper à longue portée.
La génération d'objets quantiques intriqués est inévitable pour l'exploration de l'information quantique dans les systèmes de la matière condensée. Alors que des expériences de non-localité on été menées, avec succès, à partir de photons intriqués, il n'a pas encore été possible de réaliser leurs analogues électroniques dans les matériaux solides, où les fermions sont les objets quantiques à intriqués. Les paires de Cooper dans les supraconducteurs sont des candidats prometteurs pour réaliser une source d'électrons intriqués. L'intrication non-local est la clé de voûte et elle peut être induite par le processus de réflexion d'Andreev croisée. Ce phénomène sépare une paire de Cooper en deux électrons, dont les spins sont intriqués, dans deux conducteurs séparés spatialement.J'ai étudié un système composé de trois électrodes supraconductrices (Al) connectées par un métal normal (Cu) formant ainsi une tri-jonction Josephson. De nouvelles structures, dans cette nano-structure hybride, apparaissent dans la conductance différentielle lorsque deux terminaux sont polarisées par des potentiels opposés l'un par rapport à l'autre. Ces anomalies correspondent à des phénomène de transport de paires de Cooper corrélées et sont consistantes avec la prédictiondes Quartets formés par la séparation simultanée de deux paires de Cooper d'un réservoir supraconducteur vers les deux autres électrodes.Dans le but d'expérimenter la cohérence quantique de ces structures, j'ai irradié la tri-jonction à l'aide d'une micro-onde de 14 GHz à très basse température. Des résonances Shapiro apparaissent lorsque la fréquence de la micro-onde est équivalente à la fréquence des courants AC Josephson générés en appliquant des tensions à travers la tri-jonction.Mon étude révèle que les anomalies de type Quartet présentent aussi des résonances Shapiro. Ce résultat démontre que le phénomène de Quartet est un mécanisme quantique cohérent confirmant la séparation cohérente de deux pairs de Cooper à longue portée.
La génération d'objets quantiques intriqués est inévitable pour l'exploration de l'information quantique dans les systèmes de la matière condensée. Alors que des expériences de non-localité on été menées, avec succès, à partir de photons intriqués, il n'a pas encore été possible de réaliser leurs analogues électroniques dans les matériaux solides, où les fermions sont les objets quantiques à intriqués. Les paires de Cooper dans les supraconducteurs sont des candidats prometteurs pour réaliser une source d'électrons intriqués. L'intrication non-local est la clé de voûte et elle peut être induite par le processus de réflexion d'Andreev croisée. Ce phénomène sépare une paire de Cooper en deux électrons, dont les spins sont intriqués, dans deux conducteurs séparés spatialement.J'ai étudié un système composé de trois électrodes supraconductrices (Al) connectées par un métal normal (Cu) formant ainsi une tri-jonction Josephson. De nouvelles structures, dans cette nano-structure hybride, apparaissent dans la conductance différentielle lorsque deux terminaux sont polarisées par des potentiels opposés l'un par rapport à l'autre. Ces anomalies correspondent à des phénomène de transport de paires de Cooper corrélées et sont consistantes avec la prédictiondes Quartets formés par la séparation simultanée de deux paires de Cooper d'un réservoir supraconducteur vers les deux autres électrodes.Dans le but d'expérimenter la cohérence quantique de ces structures, j'ai irradié la tri-jonction à l'aide d'une micro-onde de 14 GHz à très basse température. Des résonances Shapiro apparaissent lorsque la fréquence de la micro-onde est équivalente à la fréquence des courants AC Josephson générés en appliquant des tensions à travers la tri-jonction.Mon étude révèle que les anomalies de type Quartet présentent aussi des résonances Shapiro. Ce résultat démontre que le phénomène de Quartet est un mécanisme quantique cohérent confirmant la séparation cohérente de deux pairs de Cooper à longue portée.
Approches de théorie quantique des champs pour le transport quantique dans les nanostructures Dans une jonction Josephson entre deux supraconducteurs séparés par deux points quantiques (dots), les paires de Cooper, qui sont les entités élémentaires du courant Josephson DC, peuvent être éventuellement scindées (processus CAR). Lorsqu'un champ magnétique est appliqué entre ces deux dots, la dépendance du courant critique renseigne sur ce processus de transport non local par une mesure à l'équilibre. Une efficacité de séparation des paires de Cooper a été définie et permet d'indiquer quels jeux de paramètres pourraient permettre à l'expérimentateur d'optimiser cette délocalisation spatiale d'électrons. Dans une jonction Josephson entre deux supraconducteurs polarisée, un courant alternatif apparaît avec une fréquence Josephson proportionnelle à la tension appliquée. Dans une jonction entre trois supraconducteurs, plusieurs fréquences Josephson cohabitent. Néanmoins, lorque la borne centrale est mise à la terre et les deux bornes latérales sont polarisées avec des tensions commensurables, un courant Josephson DC apparaît traduisant le transport effectif de paires de Cooper. Des résultats numériques pour la résonance quartet (intrication de deux paires de Cooper scindées par double CAR) sont présentés. Un calcul unifié basé sur les fonctions d'onde solutions de l'équation de Bogoliubov - de Gennes a permis de calculer courant et bruit dans une jonction entre deux supraconducteurs qu'ils soient conventionnels ou topologiques. Dans une jonction entre deux supraconducteurs topologiques, des quasiparticules d'énergie nulle aux propriétés de Majorana peuvent exister et le calcul entrepris permet de dégager de nouvelles signatures pour la présence de ces excitations.
Dans cette thèse, nous nous sommes particulièrement intéressés à la propagation de paires EPR* délocalisées et localisées, et à l'influence d'un supraconducteur sur le transport de ces paires. Après une introduction de cette étude, ainsi que du cadre scientifique qu'est l'informatique quantique dans lequel elle s'inscrit, nous allons dans le chapitre 1 faire un rappel sur le système constitué de deux points quantiques normaux entourés de deux fils supraconducteurs. Cela nous permettra d'introduire une méthode de calcul qui sera réutilisée par la suite, et de trouver également le courant Josephson produit par ce système transformé en SQUID-dc par l'ajout d'une jonction auxiliaire. Le SQUID permet de mesurer l'état de spin (singulet ou triplet), et peut être formé à partir d'autres systèmes que nous étudierons ensuite. Dans le chapitre 2, nous rappellerons l'étude détaillée d'un intricateur d'Andreev faite par un groupe de Bâle. La matrice T, permettant d'obtenir le courant dans les cas où les électrons sont séparés spatialement ou non, sera étudiée en détail afin d'en faire usage au chapitre suivant. Le chapitre 3 est consacré à l'étude de l'influence du bruit sur le fonctionnement de l'intricateur d'Andreev. Ce bruit modifie la forme du courant jusqu'à aboutir à d'autres conditions de fonctionnement de l'intricateur. En effet, le bruit présent sur les points quantiques peut perturber le transport des paires EPR par l'intermédiaire des degrés de liberté. Nous montrerons que, du fait de"l'intrication" entre la charge de la paire et le bruit, la paire est détruite pour des temps longs. Cependant, le résultat le plus important sera que le bruit perturbe plus le transport des paires délocalisées, qui implique une résonance de Breit-Wigner à deux particules. Le transport parasite n'implique pour sa part qu'une résonance de Breit-Wigner à une particule. Dans le chapitre 4, nous reviendrons au système constitué de deux points quantiques entourés de deux fils supraconducteurs, mais ici, les deux points quantiques seront aussi supraconducteurs. On obtiendra alors l'hamiltonien effectif de la même manière que précédemment ainsi que la forme du courant. Dans le cas où la tension entre les deux fils est nulle, nous ferons une comparaison avec l'expérience et nous verrons que les résultats obtenus sont plus en accord avec celle-ci si on fait l'hypothèse de la présence d'un bain, qui va modéliser le bruit sur l'un des fils. Enfin, dans le dernier chapitre, nous utiliserons à la fois un qubit de charge et un qubit de spin entourés par deux fils supraconducteurs. Nous pourrons alors mesurer l'influence du supraconducteur et voir s'il est possible de créer ici des paires d'électrons intriqués et d'aboutir à un pendule quantique. *Il existe des systèmes qui produisent des paires de particules éjectées simultanément dans des directions opposées et qui permettent de tester le paradoxe d' Einstein, Podolsky, Rosen. Chaque particule de la paire est dans un état indéterminé. Si on mesure les états respectifs des deux particules, on obtient systématiquement des résultats complémentaires, soit de façon aléatoire: 0-1 ou 1-0. La mécanique quantique explique que les deux particules ainsi produites constituent un seul système, une paire EPR.
Dynamique quantique d'une cavité micro-onde à haute impédance fortement couplée à une jonction Josephson Le but de cette thèse est d'étudier les propriétés et la dynamique d'une cavité micro-onde à haute impédance couplée galvaniquement à une jonction Josephson polarisée en tension. La cavité est réalisée en aluminium granulaire, un supraconducteur désordonné à haute inductance cinétique, qui nous a permis d'obtenir des modes avec un facteur de qualité élevé (jusqu'à 30 000) et une grande impédance caractéristique allant jusqu'à 5 kOhm dans la gamme du GHz. L'occupation et les propriétés des modes de la cavité sont fortement influencées par les processus tunnel se produisant dans la jonction connectée à la cavité. Comme l'impédance caractéristique des modes est comparable au quantum de résistance, des processus non linéaires d'ordre élevé sont observés. À basse tension par rapport au gap supraconducteur de la jonction, le processus dominant est le passage tunnel inélastique des paires de Cooper, qui peuple les différents modes de la cavité. Nous mesurons directement l'émission de photons dans un mode à 6 GHz et observons plus de 70 pics d'émission en fonction de la tension de polarisation, une signature claire de la non-linéarité élevée. Aux tensions plus élevées proches du gap, le tunneling des quasi-particules domine. Ce processus dissipatif modifie à la fois la fréquence de résonance et la largeur des modes. Un traitement quantique de ce processus dissipatif en termes de décalage de Lamb et de sauts quantiques est nécessaire pour expliquer quantitativement nos mesures. Ces résultats montrent le potentiel de l'aluminium granulaire pour réaliser des expériences d'optique quantique dans un régime où le transport de charge et les photons micro-ondes sont fortement couplés.
Transport quantique dans des jonctions Josephson polarisées en tension Ces travaux visent à étendre la compréhension du transport quantique hors équilibre dans des jonctions Josephson polarisées en tensions, aussi bien par des méthodes analytiques que numériques. Plus précisément, il se concentre sur le rayonnement Josephson d'une jonction formée par une boite quantique ayant un unique niveau d’énergie dégénéré en spin et connecté à deux fils supraconducteurs. Une telle jonction héberge des états discrets, à l’intérieur du gap supraconducteur, dont l'énergie dépend périodiquement de la différence des phases supraconductrice de part et d’autre de la jonction, il s'agit des états liés dits d'Andreev. A cause de la dépendance en énergie de transmission de la boite quantique, ces états sont complètement détachés du continuum de quasi-particules et tout écart à la condition de résonance de la boite quantique ouvre un second gap à l'énergie de Fermi. Le courant supraconducteur qui traverse la jonction est proportionnel à la dérivée de l'énergie de la jonction par rapport à la différence de phase. Cette énergie dépend entre autres de l’occupation des états liées d’Andreev. Lorsque la jonction est polarisée en tension, la différence de phase oscille à la fréquence Josephson qui est proportionnelle à la tension appliquée.Pour comprendre l'effet de cette dynamique sur le courant et la radiation Josephson, nous proposons un modèle stochastique de celle-ci. Dont nous déduisons des expressions analytiques des différentes observables paramétrisées par les probabilités de transition des processus non-adiabatiques. Ce modèle prédit l'existence d'un régime de paramètres où le rayonnement Josephson est fractionnel. Bien que ces résultats aient fourni un aperçu analytique du comportement de la jonction, il repose sur des hypothèses fortes. Notamment, tout effet de cohérence quantique est négligé, de même que l'effet de l'environnement. Nous nous sommes donc tournés vers un modèle microscopique de la jonction décrit dans le formalisme des champs hors équilibres. La boite quantique est modélisée par un unique état discret connecté par effets tunnels à deux supraconducteurs BCS. Les observables sont déduite de la fonction Green complète du système. Celle-ci est obtenue en résolvant l'équation de Dyson dans le domaine temporel. A cette occasion, nous avons développé une nouvelle méthode de résolution de cette équation hors-équilibre de complexité O(N log(N)) en temps et en mémoire, avec N le nombre de points de discrétisation de l'axe temporel. Là où les méthodes usuelles nécessitent O(N^3) opérations et O(N^2) octets de mémoire pour résoudre cette même équation. Ce nouvel algorithme n'est restreint en aucune façon à la simulation de jonctions Josephson.
Les systèmes d’atomes froids et les jonctions supraconductrices sont actuellement deux des principales plateformes proposées pour la réalisation et la simulation quantique de modèles physiques. Dans ce cadre, la mise hors-équilibre de ces systèmes et leur contrôle par des méthodes de type Floquet permet de générer et d’explorer une riche classe de modèles. De plus, la ou les interactions sont souvent négligeable dans les jonctions supraconductrices, elles sont inhérentes aux gaz d’atomes froids. Dans ce sens, l’Ingénierie de Floquet des jonctions,bosoniques ou supraconductrices, s’avèrent être un paradigme idéal du point de vue de l’étude de la topologie, des interactions et de leur coexistence.Dans cette thèse, j’étudie plusieurs systèmes quantiques soumis à un forçage périodique.Tout d’abord, je rappelle et compare les modèles utilisés pour la description d’un gaz de Bose dans un potentiel périodique et pour une jonction Josephson connectée par un point quantique. Ces systèmes, bien que de natures différentes peuvent en effet partager quelques analogies. L’effet d’un forçage périodique brisant la symétrie par renversement du temps est alors analysé à la fois dans le cas de la tri-jonction supraconductrice et de la tri-jonction bosonique. Je présente ensuite une première étude, centrée sur le modèle de Bose-Hubbard de 2 à 5 sites. Dans ce modèle l’interaction entre les atomes est forçée périodiquement et placée dans une condition de résonance par rapport à une configuration de potentiels chimiques donnée. Je montre alors que dans ces systèmes il est possible de générer dynamiquement des états N00N multi-modes. L’apparition de ces états à un temps donné est expliqué par un schéma de renormalisation décrit par un Hamiltonien effectif dérivé à partir de la théorie de Floquet. Dans un second temps j’analyse l’effet d’un rayonnement micro-ondes chiral, décrit par une dépendance sinusoïdale déphasée des potentiels , sur une jonction métallique. L’analyse par une méthode de scattering permet de confirmer l’apparition d’un courant chiral, résultat déjà prédit dans le cadre d’une jonction par point quantique. En dernière partie je discute plus en profondeur l’analogie entre une jonction Josephson et un modèle de liaison forte. Cette représentation d’une jonction sous forme de réseau permet d’interpréter les transitions topologiques lorsque la jonction est soumis à un rayonnement micro-onde. Dans le contexte de cette analogie je discute alors la notion de bords et la difficulté à réaliser ceux-ci en pratique. Pour conclure, je montre comment une interaction entre le point quantique et les supraconducteurs permet à la fois de sonder la topologie du système sans interaction et d’induire des effets topologiques.