La double île supraconductrice, composée de trois jonctions Josephson en série, est un circuit pouvant se comporter comme un système à deux niveaux. Les énergies des états quantiques macroscopiques sont contrôlées par deux tensions de grille et par une tension de polarisation VB. Le transfert d'une paire de Cooper à travers le circuit dissipe dans l'environnement électromagnétique une quantité d'énergie 2eVB, correspondant à la polarisation en tension. Les propriétés de transport à travers ce dispositif, en absence de quasiparticules résiduelles, font apparaître la compétition entre le couplage des états dégénérés de la double île et le taux de relaxation en fonction de la tension de polarisation. Tant que la relaxation est le facteur limitant, le courant est uniquement déterminé par la relaxation, conduisant au régime quantique. Par contre, si le couplage devient le facteur limitant (ou si la relaxation domine), la dynamique change et le courant paradoxalement diminue, menant au régime Zéno. Aux tensions suffisamment basses, le supercourant est identifié à travers les trois jonctions en série. Dans ce travail, il s'agit aussi de comprendre l'effet d'un cycle d'évolution adiabatique, réalisé par l'application des deux tensions de grille alternatives de même fréquence et d'amplitude en quadrature de phase, produisant un courant de pompage à travers le circuit. Cette thèse présente dans quelle mesure le pompage adiabatique peut être exploité pour "lire" l'état du système. Le courant de pompage est, en effet, sensible à l'occupation de l'état quantique, la charge pompée dans l'état fondamental et dans le premier état excité étant de signe opposé.
La double île supraconductrice, composée de trois jonctions Josephson en série, est un circuit pouvant se comporter comme un système à deux niveaux. Les énergies des états quantiques macroscopiques sont contrôlées par deux tensions de grille et par une tension de polarisation VB. Le transfert d'une paire de Cooper à travers le circuit dissipe dans l'environnement électromagnétique une quantité d'énergie 2eVB, correspondant à la polarisation en tension. Les propriétés de transport à travers ce dispositif, en absence de quasiparticules résiduelles, font apparaître la compétition entre le couplage des états dégénérés de la double île et le taux de relaxation en fonction de la tension de polarisation. Tant que la relaxation est le facteur limitant, le courant est uniquement déterminé par la relaxation, conduisant au régime quantique. Par contre, si le couplage devient le facteur limitant (ou si la relaxation domine), la dynamique change et le courant paradoxalement diminue, menant au régime Zéno. Aux tensions suffisamment basses, le supercourant est identifié à travers les trois jonctions en série. Dans ce travail, il s'agit aussi de comprendre l'effet d'un cycle d'évolution adiabatique, réalisé par l'application des deux tensions de grille alternatives de même fréquence et d'amplitude en quadrature de phase, produisant un courant de pompage à travers le circuit. Cette thèse présente dans quelle mesure le pompage adiabatique peut être exploité pour "lire" l'état du système. Le courant de pompage est, en effet, sensible à l'occupation de l'état quantique, la charge pompée dans l'état fondamental et dans le premier état excité étant de signe opposé.
La double île supraconductrice, composée de trois jonctions Josephson en série, est un circuit pouvant se comporter comme un système à deux niveaux. Les énergies des états quantiques macroscopiques sont contrôlées par deux tensions de grille et par une tension de polarisation VB. Le transfert d'une paire de Cooper à travers le circuit dissipe dans l'environnement électromagnétique une quantité d'énergie 2eVB, correspondant à la polarisation en tension. Les propriétés de transport à travers ce dispositif, en absence de quasiparticules résiduelles, font apparaître la compétition entre le couplage des états dégénérés de la double île et le taux de relaxation en fonction de la tension de polarisation. Tant que la relaxation est le facteur limitant, le courant est uniquement déterminé par la relaxation, conduisant au régime quantique. Par contre, si le couplage devient le facteur limitant (ou si la relaxation domine), la dynamique change et le courant paradoxalement diminue, menant au régime Zéno. Aux tensions suffisamment basses, le supercourant est identifié à travers les trois jonctions en série. Dans ce travail, il s'agit aussi de comprendre l'effet d'un cycle d'évolution adiabatique, réalisé par l'application des deux tensions de grille alternatives de même fréquence et d'amplitude en quadrature de phase, produisant un courant de pompage à travers le circuit. Cette thèse présente dans quelle mesure le pompage adiabatique peut être exploité pour "lire" l'état du système. Le courant de pompage est, en effet, sensible à l'occupation de l'état quantique, la charge pompée dans l'état fondamental et dans le premier état excité étant de signe opposé.
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.
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.
Cette thèse porte sur la dynamique quantique dans un dcSQUID inductif. Ce dispositif est une boucle supraconductrice interrompue par deux jonctions Josephson. Sa dynamique est analogue à celle d'une particule massive évoluant dans un potentiel bidimensionnel. Dans la limite quantique, le dcSQUID se comporte comme un atome artificiel à deux degrés de liberté, contrôlé par le courant et le flux de polarisation. Dans la limite où l'inductance de la boucle est petite devant celle des jonctions, celles-ci sont fortement couplées. La dynamique du circuit est alors celle d'un oscillateur anharmonique quantique unidimensionnel. Dans la limite des deux premiers niveaux d'énergie, ce circuit est un qubit de phase. Jusqu'alors la décohérence dans ce circuit était dominée par le bruit en courant. Nous montrons, par des mesures de spectroscopie et d'oscillations cohérentes, que l'effet du bruit en courant s'annule à courant de polarisation nul, permettant une augmentation des temps de cohérence. Dans la limite où l'inductance de la boucle est grande devant celle des jonctions, la dynamique devient bidimensionnelle. Le circuit exhibe alors un spectre d'énergie riche qui peut être décrit comme celui de deux oscillateurs anharmoniques couplés, correspondant aux modes d'oscillations symétrique et antisymétrique des phases des deux jonctions. Nous mettons en évidence ce spectre par des mesures de spectroscopie et nous démontrons la manipulation cohérente des états quantiques de chaque mode. En particulier nous mettons en évidence un couplage non-linéaire entre les deux modes, dans une limite de couplage fort. Ce couplage nous permet alors d'observer des oscillations cohérentes entre les deux modes internes de cet atome artificiel. De plus, dans ce manuscrit, nous présentons une technique innovante de fabrication de jonctions métalliques par évaporations sous angles qui n'a pas recours à un pont de résine suspendu. Finalement nous proposons un modèle simple basé sur les effets de chauffage qui explique pour la première fois une anomalie récurrente observée dans les caractéristiques courant-tension des dcSQUID.
Electrodynamique quantique d’une jonction Josephson polarisée en tension continue en régime de fort couplage Dans cette thèse, nous avons étudié le couplage entre le transport de charge dans un conducteur quantique et le rayonnement émis dans son environnement électromagnétique. En effet, le caractère probabiliste du transport électrique dans ce type de conducteurs engendre des fluctuations de courant qui dissipent de l'énergie dans l'environnement sous forme de photons.Pour étudier cette interaction, nous avons utilisé un circuit dans lequel une Jonction Josephson couplée à un résonateur micro-onde est polarisée avec une tension continue. Quand la tension de polarisation atteint la condition pour laquelle le travail fourni par le générateur lorsque la charge d'une paire de Cooper traverse le circuit correspond à l'énergie d'un nombre entier de photons du résonateur, on observe un courant continu de paires de Cooper associé à l'émission de rayonnement dans le résonateur. Ce rayonnement est ensuite collecté dans une ligne de mesure micro-onde. En fabriquant des résonateurs hautes impédances basés sur des inductances planaires, nous avons pu atteindre le régime de fort couplage et observer les effets spectaculaires de cette interaction lumière-matière. D'une part, le régime de fort couplage exacerbe les processus multi-photoniques et nous avons observé jusqu'à l'émission simultanée de neuf photons part une paire de Cooper. De plus en utilisant un montage de type Hanbury-Brown and Twiss, nous avons pu mesurer la statistique des photons émis. Nous avons ainsi démontré que la rétroaction de l'environnement sur la dynamique du transport permet de créer une source non-classique de photons sous-Poissonniens, en accord avec les prédictions théoriques.
Cette thèse porte sur la dynamique quantique dans un dcSQUID inductif. Ce dispositif est une boucle supraconductrice interrompue par deux jonctions Josephson. Sa dynamique est analogue à celle d'une particule massive évoluant dans un potentiel bidimensionnel. Dans la limite quantique, le dcSQUID se comporte comme un atome artificiel à deux degrés de liberté, contrôlé par le courant et le flux de polarisation. Dans la limite où l'inductance de la boucle est petite devant celle des jonctions, celles-ci sont fortement couplées. La dynamique du circuit est alors celle d'un oscillateur anharmonique quantique unidimensionnel. Dans la limite des deux premiers niveaux d'énergie, ce circuit est un qubit de phase. Jusqu'alors la décohérence dans ce circuit était dominée par le bruit en courant. Nous montrons, par des mesures de spectroscopie et d'oscillations cohérentes, que l'effet du bruit en courant s'annule à courant de polarisation nul, permettant une augmentation des temps de cohérence. Dans la limite où l'inductance de la boucle est grande devant celle des jonctions, la dynamique devient bidimensionnelle. Le circuit exhibe alors un spectre d'énergie riche qui peut être décrit comme celui de deux oscillateurs anharmoniques couplés, correspondant aux modes d'oscillations symétrique et antisymétrique des phases des deux jonctions. Nous mettons en évidence ce spectre par des mesures de spectroscopie et nous démontrons la manipulation cohérente des états quantiques de chaque mode. En particulier nous mettons en évidence un couplage non-linéaire entre les deux modes, dans une limite de couplage fort. Ce couplage nous permet alors d'observer des oscillations cohérentes entre les deux modes internes de cet atome artificiel. De plus, dans ce manuscrit, nous présentons une technique innovante de fabrication de jonctions métalliques par évaporations sous angles qui n'a pas recours à un pont de résine suspendu. Finalement nous proposons un modèle simple basé sur les effets de chauffage qui explique pour la première fois une anomalie récurrente observée dans les caractéristiques courant-tension des dcSQUID.