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Shaping the spectrum of carbon nanotube quantum dots with superconductivity and ferromagnetism for mesoscopic quantum electrodynamics

Tino Cubaynes

Published Dec 7, 2018• 1 citation
Publisher

Abstract

Façonnage du spectre de boîtes quantiques à base de nanotubes de carbones avec la supraconductivité et le ferromagnétisme pour l'électrodynamique quantique mésoscopique Dans cette thèse, nous étudions des circuits de boîtes quantiques à base de nanotubes de carbone intégrés dans une cavité micro-onde. Cette architecture générale permet de sonder le circuit en utilisant simultanément des mesures de transport et des techniques propre au domaine de l’Electrodynamique quantique sur circuit. Les deux expériences réalisées durant cette thèse exploitent la capacité des métaux de contact à induire des corrélations de spins dans les boites quantiques. La première expérience est l’étude d’une lame s´séparatrice à paires de Cooper, initialement imaginée comme une source d’électrons intriqués. Le couplage du circuit aux photons dans la cavité permet de sonder la dynamique interne du circuit, et a permis d’observer des transitions de charge habillées par le processus de séparation des paires de Cooper. Le couplage fort entre une transition de charge dans un circuit de boîtes quantiques et des photons en cavité, a été observée pour la première fois dans ce circuit. Une nouvelle technique de fabrication a aussi été développé pour intégrer un nanotube de carbone cristallin au sein du circuit de boîtes quantiques. La pureté et l’accordabilité de cette nouvelle génération de circuit a rendu possible la seconde expérience. Cette dernière utilise deux vannes de spins non colinéaire afin de produire une interface cohérente entre le spin d’un électron dans une double boite quantique, et un photon dans une cavité. Des transitions de spins très cohérentes ont été observée, et nous donnons un modèle sur l’origine de la décohérence du spin comprenant le bruit en charge et les fluctuations des spins nucléaires.

DOI
10.70675/fa1334baza223z46cdza270z701fac846203

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•Dec 7, 2018•0 citations

Microwaves as a probe of quantum dot circuits : from Kondo dynamics to mesoscopic quantum electrodynamics

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Les micro-ondes comme sonde des circuits de boîtes quantiques : de la dynamique Kondo à l’électrodynamique quantique mésoscopique Cette thèse utilise les micro-ondes pour étudier des circuits de boîtes quantiques à base de nanotubes de carbone. Dans une première expérience, l'excitation micro-onde est appliquée directement sur une électrode du circuit pour une boîte quantique dans le régime Kondo. Nous réalisons la première caractérisation fréquence-amplitude de la conductance Kondo à biais nul. Des données préliminaires sont en accord avec la prédiction d'universalité. Nous présentons deux autres expériences, où les boîtes quantiques sont insérées dans des résonateurs micro-ondes. Les photons de la cavité sondent la résistance de relaxation de charge et l'émission de photons dans une boîte quantique couplée à des réservoirs normaux et supraconducteurs, en présence de répulsion coulombienne. Nos observations valident une modélisation en termes de réponse linéaire du circuit. Nous présentons aussi la première implémentation d'une lame séparatrice à paires de Cooper en cavité. Le régime de couplage fort est atteint, une première avec des circuits de boîtes quantiques. Nos résultats renforcent l'idée que l'électrodynamique quantique mésoscopique est une boîte à outils fructueuse, aussi bien dans le contexte du domaine du transport quantique que dans celui de l'information quantique.

•Apr 1, 2016•0 citations

Les micro-ondes comme sonde des circuits de boîtes quantiques : de la dynamique Kondo à l'électrodynamique quantique mésoscopique

Laure E. Bruhat

Cette thèse utilise les micro-ondes pour étudier des circuits de boîtes quantiques à base de nanotubes de carbone. Dans une première expérience, l'excitation micro-onde est appliquée directement sur une électrode du circuit pour une boîte quantique dans le régime Kondo. Nous réalisons la première caractérisation fréquence-amplitude de la conductance Kondo à biais nul. Des données préliminaires sont en accord avec la prédiction d'universalité. Nous présentons deux autres expériences, où les boîtes quantiques sont insérées dans des résonateurs micro-ondes. Les photons de la cavité sondent la résistance de relaxation de charge et l'émission de photons dans une boîte quantique couplée à des réservoirs normaux et supraconducteurs, en présence de répulsion coulombienne. Nos observations valident une modélisation en termes de réponse linéaire du circuit. Nous présentons aussi la première implémentation d'une lame séparatrice à paires de Cooper en cavité. Le régime de couplage fort est atteint, une première avec des circuits de boîtes quantiques. Nos résultats renforcent l'idée que l'électrodynamique quantique mésoscopique est une boîte à outils fructueuse, aussi bien dans le contexte du domaine du transport quantique que dans celui de l'information quantique.

•Apr 1, 2016•0 citations

Interface spin-photon et portes quantiques pour des spins dans des nanotubes de carbone

B. Neukelmance

Dans cette thèse, on s'intéresse à l'implémentation d'un qubit de spin dit ferromagnétique. Un nanotube de carbone est utilisé comme conducteur cohérent pour piéger un spin électronique dans lequel est encodé l'information quantique assurant des longs temps de cohérence. Ce circuit à base de boîtes quantiques est intégré à une architecture d'électrodynamique quantique sur puce procurant de grands atouts pour la lecture, la manipulation et un couplage à distance. Le couplage spin-photon existe grâce une hybridation spin-charge : l'électron étant piégé dans un double puits de potentiel avec différents axes de quantification du spin pour chacune des boîtes quantiques. Cet ingrédient clef est ici implémenté avec des électrodes de contacts ferromagnétiques non colinéaires et leur champ magnétique respectif. Augmenter le couplage spin-photon est toutefois nécessaire pour dépasser la preuve de concept. Pour cela il est possible d'accroitre l'impédance du résonateur avec des supraconducteurs désordonnés, ce qui a été exploré dans ce travail avec de l'aluminium granulaire. Des travaux d'investigation sont également été menés pour une intégration multi-qubits avec une cavité usinée dite ”2.5D”. Les résultats principaux de cette thèse ont été obtenus dans une architecture standard où des états quantique cohérents jusqu'à la microseconde ont été observés. La manipulation avec des photons de la cavité a conduit à des chevrons de Rabi non conventionnels cachant une dynamique multi-niveaux. La caractérisation standard des qubits a toutefois pu être réalisée et a montré des temps de cohérence dépassant ceux des circuit de boîtes quantiques en cavité et ceux des dispositifs à base de nanotubes de carbone d'un et de deux ordres de grandeur.

•Mar 15, 2024•0 citations

Spin-photons interface and quantum gates for spins in carbon nanotubes

B. Neukelmance

Interface spin-photon et portes quantiques pour des spins dans des nanotubes de carbone Dans cette thèse, on s'intéresse à l'implémentation d'un qubit de spin dit ferromagnétique. Un nanotube de carbone est utilisé comme conducteur cohérent pour piéger un spin électronique dans lequel est encodé l'information quantique assurant des longs temps de cohérence. Ce circuit à base de boîtes quantiques est intégré à une architecture d'électrodynamique quantique sur puce procurant de grands atouts pour la lecture, la manipulation et un couplage à distance. Le couplage spin-photon existe grâce une hybridation spin-charge : l'électron étant piégé dans un double puits de potentiel avec différents axes de quantification du spin pour chacune des boîtes quantiques. Cet ingrédient clef est ici implémenté avec des électrodes de contacts ferromagnétiques non colinéaires et leur champ magnétique respectif. Augmenter le couplage spin-photon est toutefois nécessaire pour dépasser la preuve de concept. Pour cela il est possible d'accroitre l'impédance du résonateur avec des supraconducteurs désordonnés, ce qui a été exploré dans ce travail avec de l'aluminium granulaire. Des travaux d'investigation sont également été menés pour une intégration multi-qubits avec une cavité usinée dite ”2.5D”. Les résultats principaux de cette thèse ont été obtenus dans une architecture standard où des états quantique cohérents jusqu'à la microseconde ont été observés. La manipulation avec des photons de la cavité a conduit à des chevrons de Rabi non conventionnels cachant une dynamique multi-niveaux. La caractérisation standard des qubits a toutefois pu être réalisée et a montré des temps de cohérence dépassant ceux des circuit de boîtes quantiques en cavité et ceux des dispositifs à base de nanotubes de carbone d'un et de deux ordres de grandeur.

•Mar 15, 2024•0 citations

Cavity quantum electrodynamics with a single spin : coherent spin-photon coupling and ultra-sensitive detector for condensed matter

Matthieu Dartiailh

Ce travail de thèse est centré autour de deux aspects des technologies quantiques: le calcul quantique et la mesure quantique. Il s'appuie sur la boîte à outils de la lumière micro-onde, développé en électrodynamique quantique, pour sonder des circuits mésoscopiques. Ces circuits, fabriqués ici à base de nanotubes de carbone, peuvent être conçus comme des bits quantiques ou comme des systèmes modèles de la matière condensée, et cette thèse explore les deux aspects. La réalisation d'une interface spin-photon cohérente illustre le premier. L'expérience repose sur l'utilisation de contacts ferro-magnétiques pour induire un couplage spin-orbit artificiel dans une double boîte quantique. Ce couplage hybride les degrés de liberté de charge et de spin de l'électron. En incluant ce circuit dans une cavité micro-onde, dont le champ électrique peut être couplé à la charge, nous réalisons une interface spin-photon. Un second projet est centré sur l'utilisation de boîtes quantiques comme systèmes modèles. Ce projet consiste à coupler, via une cavité micro-onde, un qubit supraconducteur, qui servira de sonde peu invasive, et une boîte quantique unique. Un tel circuit peut exhiber différent comportement dont l'effet Kondo, qui est un effet à N-corps. Dans ce travail, nous présentons à la fois une étude théorique, et des travaux expérimentaux. Finalement, un travail en collaboration, sur une proposition théorique pour détecter le caractère auto-adjoint des fermions de Majorana en utilisant une cavité micro-onde, est présenté.

•Nov 28, 2017•0 citations
Façonnage du spectre de boîtes quantiques à base de nanotubes de carbones avec la supraconductivité et le ferromagnétisme pour l'électrodynamique quantique mésoscopique Dans cette thèse, nous étudions des circuits de boîtes quantiques à base de nanotubes de carbone intégrés dans une cavité micro-onde. Cette architecture générale permet de sonder le circuit en utilisant simultanément des mesures de transport et des techniques propre au domaine de l’Electrodynamique quantique sur circuit. Les deux expériences réalisées durant cette thèse exploitent la capacité des métaux de contact à induire des corrélations de spins dans les boites quantiques. La première expérience est l’étude d’une lame s´séparatrice à paires de Cooper, initialement imaginée comme une source d’électrons intriqués. Le couplage du circuit aux photons dans la cavité permet de sonder la dynamique interne du circuit, et a permis d’observer des transitions de charge habillées par le processus de séparation des paires de Cooper. Le couplage fort entre une transition de charge dans un circuit de boîtes quantiques et des photons en cavité, a été observée pour la première fois dans ce circuit. Une nouvelle technique de fabrication a aussi été développé pour intégrer un nanotube de carbone cristallin au sein du circuit de boîtes quantiques. La pureté et l’accordabilité de cette nouvelle génération de circuit a rendu possible la seconde expérience. Cette dernière utilise deux vannes de spins non colinéaire afin de produire une interface cohérente entre le spin d’un électron dans une double boite quantique, et un photon dans une cavité. Des transitions de spins très cohérentes ont été observée, et nous donnons un modèle sur l’origine de la décohérence du spin comprenant le bruit en charge et les fluctuations des spins nucléaires.
Dans cette thèse, nous étudions des circuits de boîtes quantiques à base de nanotubes de carbone intégrés dans une cavité micro-onde. Cette architecture générale permet de sonder le circuit en utilisant simultanément des mesures de transport et des techniques propre au domaine de l’Electrodynamique quantique sur circuit. Les deux expériences réalisées durant cette thèse exploitent la capacité des métaux de contact à induire des corrélations de spins dans les boites quantiques. La première expérience est l’étude d’une lame s´séparatrice à paires de Cooper, initialement imaginée comme une source d’électrons intriqués. Le couplage du circuit aux photons dans la cavité permet de sonder la dynamique interne du circuit, et a permis d’observer des transitions de charge habillées par le processus de séparation des paires de Cooper. Le couplage fort entre une transition de charge dans un circuit de boîtes quantiques et des photons en cavité, a été observée pour la première fois dans ce circuit. Une nouvelle technique de fabrication a aussi été développé pour intégrer un nanotube de carbone cristallin au sein du circuit de boîtes quantiques. La pureté et l’accordabilité de cette nouvelle génération de circuit a rendu possible la seconde expérience. Cette dernière utilise deux vannes de spins non colinéaire afin de produire une interface cohérente entre le spin d’un électron dans une double boite quantique, et un photon dans une cavité. Des transitions de spins très cohérentes ont été observée, et nous donnons un modèle sur l’origine de la décohérence du spin comprenant le bruit en charge et les fluctuations des spins nucléaires.
Les micro-ondes comme sonde des circuits de boîtes quantiques : de la dynamique Kondo à l’électrodynamique quantique mésoscopique Cette thèse utilise les micro-ondes pour étudier des circuits de boîtes quantiques à base de nanotubes de carbone. Dans une première expérience, l'excitation micro-onde est appliquée directement sur une électrode du circuit pour une boîte quantique dans le régime Kondo. Nous réalisons la première caractérisation fréquence-amplitude de la conductance Kondo à biais nul. Des données préliminaires sont en accord avec la prédiction d'universalité. Nous présentons deux autres expériences, où les boîtes quantiques sont insérées dans des résonateurs micro-ondes. Les photons de la cavité sondent la résistance de relaxation de charge et l'émission de photons dans une boîte quantique couplée à des réservoirs normaux et supraconducteurs, en présence de répulsion coulombienne. Nos observations valident une modélisation en termes de réponse linéaire du circuit. Nous présentons aussi la première implémentation d'une lame séparatrice à paires de Cooper en cavité. Le régime de couplage fort est atteint, une première avec des circuits de boîtes quantiques. Nos résultats renforcent l'idée que l'électrodynamique quantique mésoscopique est une boîte à outils fructueuse, aussi bien dans le contexte du domaine du transport quantique que dans celui de l'information quantique.
Cette thèse utilise les micro-ondes pour étudier des circuits de boîtes quantiques à base de nanotubes de carbone. Dans une première expérience, l'excitation micro-onde est appliquée directement sur une électrode du circuit pour une boîte quantique dans le régime Kondo. Nous réalisons la première caractérisation fréquence-amplitude de la conductance Kondo à biais nul. Des données préliminaires sont en accord avec la prédiction d'universalité. Nous présentons deux autres expériences, où les boîtes quantiques sont insérées dans des résonateurs micro-ondes. Les photons de la cavité sondent la résistance de relaxation de charge et l'émission de photons dans une boîte quantique couplée à des réservoirs normaux et supraconducteurs, en présence de répulsion coulombienne. Nos observations valident une modélisation en termes de réponse linéaire du circuit. Nous présentons aussi la première implémentation d'une lame séparatrice à paires de Cooper en cavité. Le régime de couplage fort est atteint, une première avec des circuits de boîtes quantiques. Nos résultats renforcent l'idée que l'électrodynamique quantique mésoscopique est une boîte à outils fructueuse, aussi bien dans le contexte du domaine du transport quantique que dans celui de l'information quantique.
Dans cette thèse, on s'intéresse à l'implémentation d'un qubit de spin dit ferromagnétique. Un nanotube de carbone est utilisé comme conducteur cohérent pour piéger un spin électronique dans lequel est encodé l'information quantique assurant des longs temps de cohérence. Ce circuit à base de boîtes quantiques est intégré à une architecture d'électrodynamique quantique sur puce procurant de grands atouts pour la lecture, la manipulation et un couplage à distance. Le couplage spin-photon existe grâce une hybridation spin-charge : l'électron étant piégé dans un double puits de potentiel avec différents axes de quantification du spin pour chacune des boîtes quantiques. Cet ingrédient clef est ici implémenté avec des électrodes de contacts ferromagnétiques non colinéaires et leur champ magnétique respectif. Augmenter le couplage spin-photon est toutefois nécessaire pour dépasser la preuve de concept. Pour cela il est possible d'accroitre l'impédance du résonateur avec des supraconducteurs désordonnés, ce qui a été exploré dans ce travail avec de l'aluminium granulaire. Des travaux d'investigation sont également été menés pour une intégration multi-qubits avec une cavité usinée dite ”2.5D”. Les résultats principaux de cette thèse ont été obtenus dans une architecture standard où des états quantique cohérents jusqu'à la microseconde ont été observés. La manipulation avec des photons de la cavité a conduit à des chevrons de Rabi non conventionnels cachant une dynamique multi-niveaux. La caractérisation standard des qubits a toutefois pu être réalisée et a montré des temps de cohérence dépassant ceux des circuit de boîtes quantiques en cavité et ceux des dispositifs à base de nanotubes de carbone d'un et de deux ordres de grandeur.
Interface spin-photon et portes quantiques pour des spins dans des nanotubes de carbone Dans cette thèse, on s'intéresse à l'implémentation d'un qubit de spin dit ferromagnétique. Un nanotube de carbone est utilisé comme conducteur cohérent pour piéger un spin électronique dans lequel est encodé l'information quantique assurant des longs temps de cohérence. Ce circuit à base de boîtes quantiques est intégré à une architecture d'électrodynamique quantique sur puce procurant de grands atouts pour la lecture, la manipulation et un couplage à distance. Le couplage spin-photon existe grâce une hybridation spin-charge : l'électron étant piégé dans un double puits de potentiel avec différents axes de quantification du spin pour chacune des boîtes quantiques. Cet ingrédient clef est ici implémenté avec des électrodes de contacts ferromagnétiques non colinéaires et leur champ magnétique respectif. Augmenter le couplage spin-photon est toutefois nécessaire pour dépasser la preuve de concept. Pour cela il est possible d'accroitre l'impédance du résonateur avec des supraconducteurs désordonnés, ce qui a été exploré dans ce travail avec de l'aluminium granulaire. Des travaux d'investigation sont également été menés pour une intégration multi-qubits avec une cavité usinée dite ”2.5D”. Les résultats principaux de cette thèse ont été obtenus dans une architecture standard où des états quantique cohérents jusqu'à la microseconde ont été observés. La manipulation avec des photons de la cavité a conduit à des chevrons de Rabi non conventionnels cachant une dynamique multi-niveaux. La caractérisation standard des qubits a toutefois pu être réalisée et a montré des temps de cohérence dépassant ceux des circuit de boîtes quantiques en cavité et ceux des dispositifs à base de nanotubes de carbone d'un et de deux ordres de grandeur.
Ce travail de thèse est centré autour de deux aspects des technologies quantiques: le calcul quantique et la mesure quantique. Il s'appuie sur la boîte à outils de la lumière micro-onde, développé en électrodynamique quantique, pour sonder des circuits mésoscopiques. Ces circuits, fabriqués ici à base de nanotubes de carbone, peuvent être conçus comme des bits quantiques ou comme des systèmes modèles de la matière condensée, et cette thèse explore les deux aspects. La réalisation d'une interface spin-photon cohérente illustre le premier. L'expérience repose sur l'utilisation de contacts ferro-magnétiques pour induire un couplage spin-orbit artificiel dans une double boîte quantique. Ce couplage hybride les degrés de liberté de charge et de spin de l'électron. En incluant ce circuit dans une cavité micro-onde, dont le champ électrique peut être couplé à la charge, nous réalisons une interface spin-photon. Un second projet est centré sur l'utilisation de boîtes quantiques comme systèmes modèles. Ce projet consiste à coupler, via une cavité micro-onde, un qubit supraconducteur, qui servira de sonde peu invasive, et une boîte quantique unique. Un tel circuit peut exhiber différent comportement dont l'effet Kondo, qui est un effet à N-corps. Dans ce travail, nous présentons à la fois une étude théorique, et des travaux expérimentaux. Finalement, un travail en collaboration, sur une proposition théorique pour détecter le caractère auto-adjoint des fermions de Majorana en utilisant une cavité micro-onde, est présenté.