Ce travail de these porte sur l'etude de circuits numeriques supraconducteurs en technologie RSFQ (Rapid Single Flux Quantum). Il s'agit essentiellement de la conception et de l'optimisation des cellules elementaires qui peuvent ensuite servir a realiser des circuits plus complexes. Deux technologies basees sur des jonctions NbN/MgO/NbN, mises au point au CEA-Grenoble ont ete utilisees. La premiere de ces technologies est basee sur des jonctions Josephson shuntees de maniere externe et la deuxieme, plus prospective, sur des jonctions auto-shuntees, pouvant fonctionner a la temperature de 10K environ. Cette etude a permis de degager les parametres optimaux des cellules. Une etude des marges de bruit a ensuite permis de determiner la frequence maximale de fonctionnement des dispositifs realises, ceci pour les deux technologies. Une etude sur l'influence de la temperature sur les marges a aussi ete realisee pour la technologie 10K. Les resultats obtenus permettront de lancer la conception de circuits plus complexes, pouvant fonctionner a des frequences d'horloge de plusieurs dizaines de GHz.
Ce travail de these porte sur l'etude de circuits numeriques supraconducteurs en technologie RSFQ (Rapid Single Flux Quantum). Il s'agit essentiellement de la conception et de l'optimisation des cellules elementaires qui peuvent ensuite servir a realiser des circuits plus complexes. Deux technologies basees sur des jonctions NbN/MgO/NbN, mises au point au CEA-Grenoble ont ete utilisees. La premiere de ces technologies est basee sur des jonctions Josephson shuntees de maniere externe et la deuxieme, plus prospective, sur des jonctions auto-shuntees, pouvant fonctionner a la temperature de 10K environ. Cette etude a permis de degager les parametres optimaux des cellules. Une etude des marges de bruit a ensuite permis de determiner la frequence maximale de fonctionnement des dispositifs realises, ceci pour les deux technologies. Une etude sur l'influence de la temperature sur les marges a aussi ete realisee pour la technologie 10K. Les resultats obtenus permettront de lancer la conception de circuits plus complexes, pouvant fonctionner a des frequences d'horloge de plusieurs dizaines de GHz.
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.
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).
Par leur fréquence d'horloge pouvant atteindre plusieurs dizaines de GHz et leur très faible dissipation, les circuits numériques supraconducteurs, fondés sur la logique à quantum de flux (RSFQ: Rapid Single-Flux Quantum), sont envisagés pour diverses applications spécifiques du fait de leurs performances exceptionnelles, très au delà de celles des filières électroniques classiques. Ces circuits RSFQ traitent l'information numérique sous forme d'impulsions de tension picoseconde avec une aire quantifiée de 2,07mV.ps, correspondant à un quantum de flux h/2e. L'électronique numérique supraconductrice ouvre ainsi la voie de l'électronique ultra-rapide en associant une large bande passante à une très faible dissipation. L'objectif de ce travail est d'étudier les interfaces optoélectroniques permettant de détecter et échantillonner les impulsions quantifiées résultant de la commutation des jonctions Josephson shuntées qui composent les circuits RSFQ. Nous avons développé une approche théorique et expérimentale de la sensibilité des photocommutateurs destinés à la détection d'impulsions RSFQ. Nous avons utilisé des photocommutateurs MSM (Métal-Semiconducteur-Métal) rapides de structure planaire à base d'Arséniure de Gallium épitaxié à basse température (AsGa-BT). Les caractéristiques physiques du matériau semi-conducteur telles que la résistance d'obscurité, la mobilité des porteurs libres et la durée de vie sont les paramètres clé pour obtenir des impulsions ultracourtes. La bonne résolution temporelle est donc assurée par les propriétés physiques du matériau. Un modèle basé sur un circuit hyperfréquence équivalent, a permis de prédire le comportement hyperfréquence du photocommutateur, éclairé ou non éclairé, lors du passage d'une impulsion RSFQ. De plus, ce modèle permet d'étudier l'influence des paramètres géométriques du photocommutateur sur la sensibilité de ce dernier. Nous avons déduit que le photocommutateur à gap à base d'AsGa-BT est bien adapté pour la détection des signaux subpicosecondes de faible amplitude.
Cette thèse a permis le développement et l'optimisation de jonctions Josephson SNS (Supraconducteur–métal Normal–Supraconducteur) à électrodes NbN et barrière TaxN de haute résistivité. On a montré une bonne reproductibilité des propriétés des couches TaxN en fonction des paramètres du dépôt. Les tricouches NbN/TaxN/NbN présentent la température critique élevée attendue (16K). Les jonctions présentent une dépendance claire du produit RnIc (courant Josephson x résistance normale, indicateur de la fréquence Josephson maximale) en fonction de la pression d'azote dans le dépôt. On a ainsi obtenu sur des collections de jonctions des produits RnIc très élevés, jusqu'à 3,74mV à 4,2K pour des densités de courant critique Jc voisines de 15kA/cm2. Les jonctions présentent les comportements Josephson attendus, (diffraction de Fraunhofer et marches de Shapiro) jusqu'à 14K. La dépendance du Jc des jonctions en fonction de la température a été interpolée en utilisant le modèle des jonctions SNS longues dans la limite sale, donnant une longueur de cohérence du métal normal autour de 3,8nm à 4,2K. Nous avons enfin étudié un procédé de fabrication multiniveaux adapté aux circuits RSFQ (Rapid Single Flux Quantum), comprenant un plan de masse commun et des résistances de polarisation. Pour conclure, nous avons montré la supériorité de performances des jonctions NbN/TaxN/NbN sur les jonctions actuelles en niobium et leur intérêt pour réaliser des circuits numériques RSFQ compacts. En effet ces jonctions s'affranchissent des résistances d'amortissement des jonctions Nb, et peuvent fonctionner jusqu'à des fréquences d'horloge supérieures à 150 GHz et jusqu'à 10K (contre 50 GHz en Nb à 4,2K).
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.
Les circuits supraconducteurs représentent une plateforme de choix pour le développement de technologies quantiques en raison de leurs propriétés de cohérence et de notre habilité à concevoir et à manipuler leur dynamique quantique de manière flexible. La réalisation de technologies ayant le potentiel de s’avérer utiles pour la société, telles qu’un ordinateur quantique tolérant aux fautes, nécessite cependant d’augmenter considérablement notre capacité à réaliser des opérations quantiques spécifiques sur ces systèmes et ce sans engendrer d’erreurs. Pour ce faire, il est nécessaire d’améliorer à la fois notre caractérisation, notre modélisation et notre contrôle des dispositifs quantiques afin d’être en mesure de comprendre et d’atténuer de façon pratique les sources d’erreurs qui limitent les performances actuelles. Mes travaux s’attaquent à cette problématique en développant de nouvelles approches pour sonder les qubits supraconducteurs, pour utiliser l’information acquise afin de concevoir des descriptions simplifiées de leur fonctionnement et de leurs imperfections, puis finalement pour optimiser nos contrôles externes sur ces modèles afin de réaliser des opérations avec des erreurs minimales. Plus spécifiquement, je me suis d’abord intéressé à la modélisation et à la simulation de la première expérience de correction d’erreurs quantiques avec des qubits supraconducteurs, laquelle a été réalisée dans le groupe d’Andreas Wallraff à l’ETH Zürich. Notre description numérique de cette expérience impliquant 17 qubits a permis de démontrer notre compréhension des résultats expérimentaux en plus d’étudier l’effet des différentes sources d’erreurs qui devront être mitigées dans les expériences futures. Dans l’objectif de contribuer concrètement à la réalisation d’opérations quantiques avec de meilleures fidélités, j’ai ensuite développé une méthodologie combinant l’apprentissage automatique et le contrôle optimal quantique. Cette approche a le potentiel de s’avérer fort utile en raison de sa simplicité d’utilisation et de son efficacité, lesquelles sont démontrées ici sur le contrôle d’un qubit supraconducteur. En collaboration avec le groupe de recherche chez Google Quantum AI, je me suis ensuite intéressé à la caractérisation précise des opérations réalisées sur des dispositifs comportant des dizaines de qubits. Nous avons développé deux protocoles qui sont robustes et très efficaces afin d’extraire une description des portes logiques qui peut directement être utilisée afin de calibrer ces opérations. Finalement, j’ai contribué à la conception d’une approche numérique permettant de résoudre des problèmes arbitraires d’optimisation sur les dynamiques de grands systèmes quantiques ouverts. Cette méthode possède un coût en mémoire minimal, ce qui nous permet de nous attaquer à des problèmes de contrôle optimal qui étaient autrement inaccessibles, comme l’optimisation de la mesure dispersive d’un qubit supraconducteur décrite par un modèle réaliste. Somme toute, mes travaux présentent plusieurs exemples où une approche basée sur un modèle et une compréhension physique nous permet de combiner la caractérisation au contrôle afin de contribuer concrètement au développement de technologies quantiques.