L'objectif de ce travail était d’élaborer la brique de base d'un convertisseur analogique numérique supraconducteur à architecture pipeline, fonctionnant à 30GHz de fréquence d’échantillonnage. Ce convertisseur est constitué d’un bloc de N comparateurs disposés en cascade le long d’une ligne de transmission. Chaque étage de comparaison est constitué d'un SQUID rf mutuellement couplé à un tronçon de ligne de transmission. Lorsque le signal à convertir arrive à la hauteur d'un comparateur, il génère un champ magnétique qui induit un courant dans le SQUID rf. Ce courant pourra faire commuter la jonction Josephson du SQUID rf dans certains cas, en fonction des caractéristiques internes de la jonction Josephson du SQUID et de son environnement. La commutation, qui s’accompagne de l’apparition d’une impulsion de tension quantifiée SFQ, a été étudiée de manière théorique et expérimentale en fonction des différents paramètres du problème.
L'objectif de ce travail était d’élaborer la brique de base d'un convertisseur analogique numérique supraconducteur à architecture pipeline, fonctionnant à 30GHz de fréquence d’échantillonnage. Ce convertisseur est constitué d’un bloc de N comparateurs disposés en cascade le long d’une ligne de transmission. Chaque étage de comparaison est constitué d'un SQUID rf mutuellement couplé à un tronçon de ligne de transmission. Lorsque le signal à convertir arrive à la hauteur d'un comparateur, il génère un champ magnétique qui induit un courant dans le SQUID rf. Ce courant pourra faire commuter la jonction Josephson du SQUID rf dans certains cas, en fonction des caractéristiques internes de la jonction Josephson du SQUID et de son environnement. La commutation, qui s’accompagne de l’apparition d’une impulsion de tension quantifiée SFQ, a été étudiée de manière théorique et expérimentale en fonction des différents paramètres du problème.
L'objectif de ce travail etait d’elaborer la brique de base d'un convertisseur analogique numerique supraconducteur a architecture pipeline, fonctionnant a 30GHz de frequence d’echantillonnage. Ce convertisseur est constitue d’un bloc de N comparateurs disposes en cascade le long d’une ligne de transmission. Chaque etage de comparaison est constitue d'un SQUID rf mutuellement couple a un troncon de ligne de transmission. Lorsque le signal a convertir arrive a la hauteur d'un comparateur, il genere un champ magnetique qui induit un courant dans le SQUID rf. Ce courant pourra faire commuter la jonction Josephson du SQUID rf dans certains cas, en fonction des caracteristiques internes de la jonction Josephson du SQUID et de son environnement. La commutation, qui s’accompagne de l’apparition d’une impulsion de tension quantifiee SFQ, a ete etudiee de maniere theorique et experimentale en fonction des differents parametres du probleme.
L'électronique supraconductrice numérique basée sur l'architecture SFQ (Single Flux Quantum) permet la réalisation d'opérations logiques en manipulant un quantum de flux magnétique Φ0 (h/2e =2,07 mV.ps) qui est propagé, stocké ou libéré sous forme d'une impulsion de tension de quelques picosecondes dont l'aire est quantifiée. Cette électronique de rupture permet des opérations logiques dont l'énergie de commutation est de l'ordre de 10-19 J, à des fréquences de l'ordre de 40 à 100 GHz, sous condition d'une technologie de fabrication disposant d'une tension critique RNIC suffisamment élevée.Ce document présente une architecture de convertisseur analogique-numérique (CAN) supraconducteur flexible, utilisée pour numériser des signaux à basse fréquence avec une grande dynamique et une sensibilité quantique. Une nouvelle architecture de HSQUID (Hybrid Superconducting QUantum Interference Device) asynchrone à signaux mixtes est présentée et étudiée expérimentalement dans un cryogénérateur Gifford-McMahon à 4,2K. La sortie analogique du HSQUID asynchrone permet de mesurer l'évolution du signal entre les commutations numériques avec une sensibilité approximative de 10 µΦ0/√Hz, où Φ0 est le pas de quantification du SQUID asynchrone. La dynamique, les marges de polarisation ainsi que l'influence du bruit thermique sont présentées pour cette architecture reposant sur deux types de comparateurs supraconducteurs. Une étude de la technologie Superconductor-Normal metal-Insulator-Superconductor (SNIS) de l'INRiM avec des nano-jonctions autoshuntées fabriquées avec la technique 3D Focused Ion Beam (FIB) a été également réalisée en vue de concevoir des nano-comparateurs radiofréquences à haute efficacité énergétique.
La logique supraconductrice RSFQ (Rapide Single Flux Quantum) est une solution très attractive pour le traitement des données à très haute fréquence avec une dissipation très faible et des performances nettement supérieures à ce que la technologie CMOS pourra offrir dans la prochaine décennie. La technologie RSFQ en nitrure de niobium (NbN) en cours de développement au CEA-G est basée sur des jonctions Josephson NbN/Ta_{X}N/NbN auto-shuntées qui présentent une fréquence d'oscillation maximum proche du THz jusqu'à 10 K. L'objectif de cette recherche a été d'appliquer cette technologie NbN 9K à un CAN (Convertisseur Analogique-Numérique) adaptable aux télécommunications spatiales. Une architecture de type CAN sigma-delta a été étudiée, sur-échantillonnant à 200 GHz de fréquence d'horloge un signal avec une bande de 500 MHz et modulé sur une porteuse de 30 GHz. En particulier une horloge, un comparateur et différents portes logiques ont été étudiés et conçus pour opérer à 200 GHz ainsi qu'un modulateur sigma-delta passe-bande du troisième ordre dont les performances SNR, SFDR, devraient après optimisation satisfaire les objectifs visés. La complexité de l'architecture du filtre de décimation a été analysée. Certains composants de base du filtre, des diviseurs de fréquence et des registres à décalage, ont été étudiés et dessinés, enfin quelques méthodes de test du modulateur sont proposées. Le travail d'implémentation de circuits NbN en technologie multi-niveaux a été traité conduisant à la réalisation complète de deux lots de circuits qui pour des raisons technologiques clarifiées ensuite n'ont pu aboutir au test des portes logique du CAN. Cependant, les marges de fonctionnement des portes logiques NbN ont été déterminées grâce à la caractérisation de jonctions, SQUIDs et de filtres (résonateurs) micro-ondes. Finalement, une étude comparative entre des circuits à jonctions NbN auto-shuntées opérant à 9K en réfrigération allégée et des circuits similaires obtenus en fonderie Nb basés sur des jonctions Nb/AlO_{X}/Nb shuntées en externe opérant à 4K, démontre tous les avantages qu'on peut espérer attendre de la technologie NbN.
La jonction Josephson à effet tunnel consiste en une fine barrière isolante insérée entre deux électrodes supraconductrices, où les paires de Cooper peuvent passer d'une électrode à l'autre avec une très faible probabilité de transmission. Cet élément sert de source commune et nécessaire de non-linéarité dans les circuits quantiques supraconducteurs, permettant la mise en œuvre de bits quantiques supraconducteurs (qubit) et de circuits amplificateurs supraconducteurs : deux éléments constitutifs de l'informatique quantique. La fabrication de ces jonctions ne permet aucun contrôle in-situ, leur comportement étant fixé par leur géométrie. Il est courant d'intégrer au moins deux jonctions dans une boucle supraconductrice pour former un dispositif d'interférence quantique supraconducteur (SQUID), dont la phase de la fonction d'onde macroscopique supraconductrice peut être modifiée par l'application d'un champ magnétique externe. Cela permet de récupérer un certain contrôle sur un degré de liberté quantique, en accordant l'énergie du SQUID en fonction de la phase. L'intégration d'un SQUID dans un qubit supraconducteur permet finalement d'accorder sa fréquence de transition. Au cours de la dernière décennie, de nouvelles architectures de circuits quantiques supraconducteurs sont apparues, où la jonction Josephson tunnel standard est remplacée par une jonction supraconducteur-normal-supraconducteur (SNS). Cette jonction bénéficie des propriétés normales du matériau, qui peut être un semi-conducteur ou un semi-métal, et dont la densité d'états peut être contrôlée par l'application d'un champ électrique externe. Par conséquent, l'énergie d'une seule jonction peut être réglée sans dépendre d'un champ magnétique, une solution qui peut se heurter à des problèmes d'extensibilité. Actuellement, des qubits supraconducteurs avec un nanofil d'InAs, un gaz électronique 2D (2DEG) et du graphène (avec des temps de cohérence faibles) ont été démontrés.Dans cette thèse, nous étudions l'utilisation du graphène, un semi-métal de van der Waals 2D encapsulé dans du h-BN (pour le protéger de son environnement), en tant que jonction SNS accordable par une grille. La jonction Josephson en graphène est intégrée dans un qubit supraconducteur, où l'énergie de Fermi du graphène est contrôlée par l'utilisation d'une électrode de grille, sur laquelle une tension est appliquée. La grille a deux effets : elle modifie le nombre de canaux de conduction à l'intérieur du graphène, ainsi que leurs probabilités de transmission (ou transparences). Le temps de relaxation est mesuré entre 300 et 800 ns, soit un ordre de grandeur supérieur à l'état de l'art actuel en matière de qubits basés sur le graphène. Nous mesurons un grand contrôle de la fréquence de transition du qubit (plusieurs GHz). Surprenament, l'anharmonicité dépend fortement de la tension de grille avec de grandes oscillations dans le régime dopé p du graphène. Basée sur un modèle analytique de contact quantique supraconducteur, que nous avons résolu numériquement, notre analyse suggère que d'importantes fluctuations mésoscopiques de transparence se produisent dans nos dispositifs, avec des valeurs allant de 0,2 à 1, une indication d'une jonction Josephson en graphène de haute qualité. Le modèle, valable pour n'importe quel régime, démontre l'effet important de la transparence sur le spectre du qubit. La dispersion de charge (c'est-à-dire la sensibilité du qubit au bruit de charge) diminue également avec l'énergie Josephson, mais aussi avec la transparence. En particulier, en cas de transparence parfaite, la dispersion de charge devrait totalement disparaître, ce qui est hautement souhaitable pour des qubits plus résistants au bruit de charge. Nous démontrons que la dispersion de charge est effectivement plus petite que celle attendue pour un qubit supraconducteur basé sur une jonction tunnel fonctionnant dans le même régime, jusqu'à un facteur 2, avec une transparence déduite allant de 0,6 à 0,8.
Les systèmes de télécommunication de type radio logicielle ou "Software Defined Radio" (SDR) exploitent les techniques numériques qui permettent leur reconfigurabilité, que ce soit en termes de fréquence, de bande passante utilisée, ou de méthode de modulation/démodulation des signaux. Ceux-ci nécessitent des architectures permettant la numérisation des signaux analogiques RF à des fréquences d'échantillonnage de plusieurs dizaines de GHz, avec des bandes passantes de plusieurs dizaines de MHz et une résolution supérieure à 10 bits. Ces objectifs sont très difficiles à atteindre avec la technologie actuelle des semi-conducteurs. La logique à quantum de flux magnétique ou logique "Rapid Single-Flux-Quantum" (RSFQ) se présente comme un candidat séduisant pour la conception de tels systèmes.En effet, celle-ci permet d'atteindre des fréquences d'horloge de plusieurs centaines de GHz pour une consommation d'environ 100 nW par porte logique. Le travail de thèse a consisté en la réalisation d'un prototype de chaîne de réception RF analogique-numérique en technologie RSFQ. L'étude et la conception des différents blocs la constituant comme le convertisseur analogique-numérique et ceux de traitement du signal numérisé en aval a été réalisée. Les premiers résultats expérimentaux confirment la fonctionnalité des cellules RSFQ de base constituant le bloc de traitement numérique. La difficulté à faire fonctionner expérimentalement les blocs plus complexes a soulevé la question de la sensibilité des cellules RSFQ aux perturbations magnétiques extérieures. Cette problématique a été étudiée sur des circuits RSFQ simples et a permis de conclure qu'un champ magnétique externe de quelques dizaines de µT était suffisant pour dégrader le fonctionnement de tels circuits. Une solution de prise en compte des effets d'un champ magnétique externe dans le simulateur utilisé a été développée pour anticiper ces problèmes dès la conception. Celle-ci a été validée expérimentalement avec un Superconducting Quantum Interference Device (SQUID).
Anharmonicité et contrôle en grille d'un circuit quantique supraconducteur à base de graphène La jonction Josephson à effet tunnel consiste en une fine barrière isolante insérée entre deux électrodes supraconductrices, où les paires de Cooper peuvent passer d'une électrode à l'autre avec une très faible probabilité de transmission. Cet élément sert de source commune et nécessaire de non-linéarité dans les circuits quantiques supraconducteurs, permettant la mise en œuvre de bits quantiques supraconducteurs (qubit) et de circuits amplificateurs supraconducteurs : deux éléments constitutifs de l'informatique quantique. La fabrication de ces jonctions ne permet aucun contrôle in-situ, leur comportement étant fixé par leur géométrie. Il est courant d'intégrer au moins deux jonctions dans une boucle supraconductrice pour former un dispositif d'interférence quantique supraconducteur (SQUID), dont la phase de la fonction d'onde macroscopique supraconductrice peut être modifiée par l'application d'un champ magnétique externe. Cela permet de récupérer un certain contrôle sur un degré de liberté quantique, en accordant l'énergie du SQUID en fonction de la phase. L'intégration d'un SQUID dans un qubit supraconducteur permet finalement d'accorder sa fréquence de transition. Au cours de la dernière décennie, de nouvelles architectures de circuits quantiques supraconducteurs sont apparues, où la jonction Josephson tunnel standard est remplacée par une jonction supraconducteur-normal-supraconducteur (SNS). Cette jonction bénéficie des propriétés normales du matériau, qui peut être un semi-conducteur ou un semi-métal, et dont la densité d'états peut être contrôlée par l'application d'un champ électrique externe. Par conséquent, l'énergie d'une seule jonction peut être réglée sans dépendre d'un champ magnétique, une solution qui peut se heurter à des problèmes d'extensibilité. Actuellement, des qubits supraconducteurs avec un nanofil d'InAs, un gaz électronique 2D (2DEG) et du graphène (avec des temps de cohérence faibles) ont été démontrés.Dans cette thèse, nous étudions l'utilisation du graphène, un semi-métal de van der Waals 2D encapsulé dans du h-BN (pour le protéger de son environnement), en tant que jonction SNS accordable par une grille. La jonction Josephson en graphène est intégrée dans un qubit supraconducteur, où l'énergie de Fermi du graphène est contrôlée par l'utilisation d'une électrode de grille, sur laquelle une tension est appliquée. La grille a deux effets : elle modifie le nombre de canaux de conduction à l'intérieur du graphène, ainsi que leurs probabilités de transmission (ou transparences). Le temps de relaxation est mesuré entre 300 et 800 ns, soit un ordre de grandeur supérieur à l'état de l'art actuel en matière de qubits basés sur le graphène. Nous mesurons un grand contrôle de la fréquence de transition du qubit (plusieurs GHz). Surprenament, l'anharmonicité dépend fortement de la tension de grille avec de grandes oscillations dans le régime dopé p du graphène. Basée sur un modèle analytique de contact quantique supraconducteur, que nous avons résolu numériquement, notre analyse suggère que d'importantes fluctuations mésoscopiques de transparence se produisent dans nos dispositifs, avec des valeurs allant de 0,2 à 1, une indication d'une jonction Josephson en graphène de haute qualité. Le modèle, valable pour n'importe quel régime, démontre l'effet important de la transparence sur le spectre du qubit. La dispersion de charge (c'est-à-dire la sensibilité du qubit au bruit de charge) diminue également avec l'énergie Josephson, mais aussi avec la transparence. En particulier, en cas de transparence parfaite, la dispersion de charge devrait totalement disparaître, ce qui est hautement souhaitable pour des qubits plus résistants au bruit de charge. Nous démontrons que la dispersion de charge est effectivement plus petite que celle attendue pour un qubit supraconducteur basé sur une jonction tunnel fonctionnant dans le même régime, jusqu'à un facteur 2, avec une transparence déduite allant de 0,6 à 0,8.