Un photon est la limite ultime mesurable de la lumière et demande par conséquent des détecteurs spécifiques à photons uniques. L’optique quantique et la photonique quantique sont des sous-domaines spécifiques de la physique qui nécessitent la création, la manipulation et la détection de photons uniques. Nous allons aborder plus spécifiquement la partie détection de photons uniques à base de technologies supraconductrices, et verrons quels sont les paramètres importants et quelles sont les applications qui en découlent.
Un photon est la limite ultime mesurable de la lumière et demande par conséquent des détecteurs spécifiques à photons uniques. L’optique quantique et la photonique quantique sont des sous-domaines spécifiques de la physique qui nécessitent la création, la manipulation et la détection de photons uniques. Nous allons aborder plus spécifiquement la partie détection de photons uniques à base de technologies supraconductrices, et verrons quels sont les paramètres importants et quelles sont les applications qui en découlent.
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 phénomènes quantiques les plus fondamentaux comme la cohérence quantique et l’intrication sont aujourd'hui explorés pour réaliser de nouvelles technologies. C'est le domaine des technologies quantiques, qui promettent de révolutionner le calcul, la communication et la métrologie. En encodant l'information dans les systèmes quantiques, il serait possible de résoudre des problèmes inaccessibles aux ordinateurs classiques, de garantir une sécurité absolue dans les communications et de développer des capteurs dépassant les limites classiques de précision. Les photons uniques, en tant que vecteurs d'information quantique, ont acquis un rôle central dans ce domaine, car ils peuvent être manipulés facilement et être utilisés pour mettre en œuvre de nombreux protocoles quantiques. Pour cela, il est essentiel de développer des interfaces très efficaces entre les photons et les systèmes quantiques matériels, tels les atomes uniques, une fonctionnalité fondamentale à la fois pour la génération et la manipulation des photons. La réalisation de tels systèmes dans l'état solide permettrait de fabriquer des dispositifs quantiques intégrés et à large échelle. Dans ce travail de thèse, nous étudions l'interface lumière-matière réalisée par une boîte quantique unique, utilisée comme un atome artificiel, couplée de façon déterministe à une cavité de type micropilier. Un tel dispositif s'avère être un émetteur et un récepteur efficace de photons uniques, et il est utilisé ici pour implémenter des fonctionnalités quantiques de base. Tout d'abord, sous une excitation optique résonante, nous montrons comment nos composants sont des sources très brillantes de photons uniques. L’accélération de l'émission spontanée de la boîte quantique dans la cavité et le contrôle électrique de la structure permettent de générer des photons très indiscernables avec une très haute brillance. Cette nouvelle génération de sources de photons uniques peut être utilisée pour générer des états de photons intriqués en chemin appelés états NOON. Ces états intriqués sont des ressources importantes pour la détection de phase optique, mais leur caractérisation optique a été peu étudiée jusqu’à présent. Nous présentons une nouvelle méthode de tomographie pour caractériser les états de NOON encodés en chemin et implémentons expérimentalement cette méthode dans le cas de deux photons. Enfin, nous étudions le comportement de nos composants comme filtres non-linéaires de lumière. L'interface optimale entre la lumière et la boîte quantique permet l'observation d'une réponse optique non-linéaire au niveau d'un seul photon incident. Cet effet est utilisé pour démontrer le filtrage des états Fock à un seul photon à partir d’impulsions classiques incidentes. Ceci ouvre la voie à la réalisation efficace d’interactions effectives entre deux photons dans un système à l’état solide, une étape fondamentale pour surmonter les limitations dues au fonctionnement probabilistes des portes optiques linéaires.
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.
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 circuits supraconducteurs constituent aujourd’hui une architecture prometteuse vers la réalisation d’un ordinateur quantique universel. Cependant, avant qu’un tel ordinateur voie le jour, plusieurs défis doivent être surmontés autant au niveau matériel que logiciel. Les circuits supraconducteurs forment aussi une architecture intéressante pour la réalisation d’expériences fondamentales en optique quantique grâce aux jonctions Josephson qui permettent aux photons micro-ondes d’interagir directement entre eux. Dans cette thèse, j’ai abordé certains des grands défis du domaine des circuits supraconducteurs dans le contexte de l’informatique quantique et de l’optique quantique micro-onde. Je me suis tout d’abord intéressé à la détection de photons micro-ondes uniques (chapitre 3). Avec mes collaborateurs, nous avons ainsi proposé deux méthodes pour réaliser un détecteur de photons uniques à grande efficacité quantique. Une de ces méthodes se base sur un ensemble de qubits supraconducteurs (section 3.2), tandis que l’autre promet une large bande de détection en se basant sur un métamatériau unidimensionnel (section 3.3). La réalisation expérimentale de ces propositions permettrait d’ajouter une pièce importante dans la boîte à outils de l’optique quantique micro-onde. Je me suis ensuite penché sur la correction d’erreurs dans les qubits supraconducteurs (section 4). Plus précisément, j’ai développé un circuit expérimentalement compact permettant de mesurer les propriétés d’un ensemble de qubits, une opération essentielle pour les techniques de correction d’erreurs quantiques. Finalement, j’ai consacré une partie de mon doctorat à modéliser des expériences effectuées dans le groupe d’Andreas Wallraff à l’ETH Zürich (chapitre 5). Nous avons ainsi réalisé trois expériences basées sur un couplage variable de type Raman entre un qubit supraconducteur et un résonateur micro-onde. Dans la première expérience, nous avons réalisé le premier transfert d’état quantique déterministe entre deux qubits supraconducteurs distants (section 5.2). Nous avons ensuite amélioré cette expérience en utilisant un code de détection d’erreur pour transférer l’information quantique de manière plus robuste entre les deux qubits (section 5.3). Ces expériences représentent une étape importante vers la réalisation d’une architecture modulaire de l’ordinateur quantique. Finalement, nous avons développé une méthode pour rapidement initialiser des qubits supraconducteurs dans leur état fondamental (section 5.4), une opération essentielle de l’ordinateur quantique.
Les boîtes quantiques semi-conductrices se sont imposées comme d'excellentes sources de photons uniques pour les technologies quantiques optiques. Lorsqu'elles sont insérées dans une cavité optique, elles émettent de manière déterministe des photons uniques purs et indiscernables à la demande, avec des taux d'émission élevés. Les sources de photons uniques à boîte quantiques ont jusqu'à présent été utilisées pour traiter les informations quantiques encodées dans les modes discrets des photons uniques, selon un cadre connu sous le nom de codage à variables discrètes. Alternativement, les informations quantiques peuvent être encodées sur les quadratures continues du champ optique dans le cadre des variables continues. Grâce à leur capacité à générer de manière déterministe des états de lumière non gaussiens complexes et à fournir une non-linéarité optique au niveau du photon unique, les boîtes quantiques dans les cavités pourraient également offrir de nouvelles possibilités pour traiter les informations dans une approche à variables continues.Dans cette thèse de doctorat, nous faisons un premier pas vers le positionnement de nos sources de boîte quantiques comme ressources potentielles pour les technologies quantiques optiques à variables continues. Nous présentons de la mesure de la fonction de Wigner de l'état photonique unique et des états de superposition du nombre de photons générés par un émetteur quantique à l'état solide. Nous avons atteint cet objectif en surmontant les principaux défis liés au fonctionnement dans le régime de faible transmission et à l'ajustement des techniques de mesure au taux d'emission élevé de nos sources de photons uniques : (i) l'optimisation de l'interférence quantique entre l'oscillateur local (un état cohérent faible) et les états photoniques émis par notre dispositif à boîte quantiques, ce qui conduit à des opérations de déplacement optimales, (ii) la correction de la perte de photons, et (iii) la reconstruction de la distribution du nombre de photons à partir de la détection de photons uniques.