Dynamique d'électrons uniques dans les systèmes topologiquement protégés L'optique quantique électronique est un domaine de recherche visant à préparer, contrôler et manipuler de manière cohérente des états à électrons uniques dans des systèmes mésoscopiques, de la même manière que les photons sont manipulés en optique quantique. Des sources d'électrons uniques peuvent être utilisées pour générer des excitations à quelques électrons dans des conducteurs balistiques, où la propagation n'est pas affectée par la rétrodiffusion.Une question particulièrement importante est celle de comprendre les effets des intéractions électroniques sur l'évolution des excitations produites par les sources, ce qui est le sujet principal de cette thèse.Tout d'abord on considère une couple de canaux conducteurs co- ou contro-propageants en présence d'intéractions répulsives. Dans les deux cas, les intéractions produisent la "fractionalisation" des excitations initiellement introduites. Les excitations ``fractionnées'' sont étudiées soit dans le domaine temporel soit dans la représentation énergie, ce qui permet d'obtenir des informations sur leur contenu de couples particule-trou. En considérant des excitations générées par des impulsions de forme lorentzienne, connues comme Lévitons, on démontre que le bruit dû à la présence d'un centre de diffusion est minimisé, indépendemment des intéractions.Ensuite, on adresse des systèmes supraconducteurs où les corrélations électroniques sont tout à fait differentes. On étudie les propriétés de transport d'une jonction tunnel supraconductrice amenée hors de l'équilibre par des impulsions de tension périodiques de forme arbitraire et on démontre que les Lévitons minimisent le bruit à basse fréquence dans ce système aussi.
Dynamique d'électrons uniques dans les systèmes topologiquement protégés L'optique quantique électronique est un domaine de recherche visant à préparer, contrôler et manipuler de manière cohérente des états à électrons uniques dans des systèmes mésoscopiques, de la même manière que les photons sont manipulés en optique quantique. Des sources d'électrons uniques peuvent être utilisées pour générer des excitations à quelques électrons dans des conducteurs balistiques, où la propagation n'est pas affectée par la rétrodiffusion.Une question particulièrement importante est celle de comprendre les effets des intéractions électroniques sur l'évolution des excitations produites par les sources, ce qui est le sujet principal de cette thèse.Tout d'abord on considère une couple de canaux conducteurs co- ou contro-propageants en présence d'intéractions répulsives. Dans les deux cas, les intéractions produisent la "fractionalisation" des excitations initiellement introduites. Les excitations ``fractionnées'' sont étudiées soit dans le domaine temporel soit dans la représentation énergie, ce qui permet d'obtenir des informations sur leur contenu de couples particule-trou. En considérant des excitations générées par des impulsions de forme lorentzienne, connues comme Lévitons, on démontre que le bruit dû à la présence d'un centre de diffusion est minimisé, indépendemment des intéractions.Ensuite, on adresse des systèmes supraconducteurs où les corrélations électroniques sont tout à fait differentes. On étudie les propriétés de transport d'une jonction tunnel supraconductrice amenée hors de l'équilibre par des impulsions de tension périodiques de forme arbitraire et on démontre que les Lévitons minimisent le bruit à basse fréquence dans ce système aussi.
Dans cette thèse, nous nous sommes particulièrement intéressés à la propagation de paires EPR* délocalisées et localisées, et à l'influence d'un supraconducteur sur le transport de ces paires. Après une introduction de cette étude, ainsi que du cadre scientifique qu'est l'informatique quantique dans lequel elle s'inscrit, nous allons dans le chapitre 1 faire un rappel sur le système constitué de deux points quantiques normaux entourés de deux fils supraconducteurs. Cela nous permettra d'introduire une méthode de calcul qui sera réutilisée par la suite, et de trouver également le courant Josephson produit par ce système transformé en SQUID-dc par l'ajout d'une jonction auxiliaire. Le SQUID permet de mesurer l'état de spin (singulet ou triplet), et peut être formé à partir d'autres systèmes que nous étudierons ensuite. Dans le chapitre 2, nous rappellerons l'étude détaillée d'un intricateur d'Andreev faite par un groupe de Bâle. La matrice T, permettant d'obtenir le courant dans les cas où les électrons sont séparés spatialement ou non, sera étudiée en détail afin d'en faire usage au chapitre suivant. Le chapitre 3 est consacré à l'étude de l'influence du bruit sur le fonctionnement de l'intricateur d'Andreev. Ce bruit modifie la forme du courant jusqu'à aboutir à d'autres conditions de fonctionnement de l'intricateur. En effet, le bruit présent sur les points quantiques peut perturber le transport des paires EPR par l'intermédiaire des degrés de liberté. Nous montrerons que, du fait de"l'intrication" entre la charge de la paire et le bruit, la paire est détruite pour des temps longs. Cependant, le résultat le plus important sera que le bruit perturbe plus le transport des paires délocalisées, qui implique une résonance de Breit-Wigner à deux particules. Le transport parasite n'implique pour sa part qu'une résonance de Breit-Wigner à une particule. Dans le chapitre 4, nous reviendrons au système constitué de deux points quantiques entourés de deux fils supraconducteurs, mais ici, les deux points quantiques seront aussi supraconducteurs. On obtiendra alors l'hamiltonien effectif de la même manière que précédemment ainsi que la forme du courant. Dans le cas où la tension entre les deux fils est nulle, nous ferons une comparaison avec l'expérience et nous verrons que les résultats obtenus sont plus en accord avec celle-ci si on fait l'hypothèse de la présence d'un bain, qui va modéliser le bruit sur l'un des fils. Enfin, dans le dernier chapitre, nous utiliserons à la fois un qubit de charge et un qubit de spin entourés par deux fils supraconducteurs. Nous pourrons alors mesurer l'influence du supraconducteur et voir s'il est possible de créer ici des paires d'électrons intriqués et d'aboutir à un pendule quantique. *Il existe des systèmes qui produisent des paires de particules éjectées simultanément dans des directions opposées et qui permettent de tester le paradoxe d' Einstein, Podolsky, Rosen. Chaque particule de la paire est dans un état indéterminé. Si on mesure les états respectifs des deux particules, on obtient systématiquement des résultats complémentaires, soit de façon aléatoire: 0-1 ou 1-0. La mécanique quantique explique que les deux particules ainsi produites constituent un seul système, une paire EPR.
A l’heure ou la miniaturisation electronique atteint ses limites, une meilleure comprehension du transport quantique a travers des systemes de dimensionalite reduite, dans lesquels l’interaction entre electrons ne peut plus etre ignoree ou meme traitee comme une perturbation, devient primordiale. La description theorique du transport electronique dans de tels systemes est de fait un des problemes majeurs de la physique mesoscopique actuelle. Le traitement correct des correlations introduites par l’interaction est un probleme extremement non-trivial et malgre les nombreux travaux entrepris dans cette thematique et les resultats accumules, beaucoup reste a faire pour reellement comprendre les effets des correlations dans les nano-systemes. L’approche retenue dans cette these consiste a simuler sur ordinateur des modeles physiques simplifies et a se limiter a des tailles suffisamment petites pour pouvoir faire un traitement numerique exact. Le but est de mettre en evidence les mecanismes qui prennent place dans ces modeles et qui peuvent etre similaires a ceux qui apparaissent dans les systemes reels. En calculant numeriquement (a l’aide de la technique de diagonalisation exacte de Lanczos) la statistique des niveaux d’energie multi-particules, nous avons etudie les effets combines du desordre et de l’interaction dans les systemes bidimensionnels. Alors que l’interaction diminue les correlations spectrales et donc augmente la localisation des electrons (caractere isolant) dans le regime de faible desordre, un comportement non-monotone apparait dans le regime de fort desordre. Dans ce regime, alors que les electrons sont deja localises par le desordre, une interaction moderee a un effet delocalisant. Cette conclusion est confirmee par une etude de la structure des fonctions d’onde multiparticules. L’effet de delocalisation peut etre compris comme resultant de reorganisations de charge dues a une competition entre le desordre et l’interaction pour etablir la structure de l’etat fondamental. Nous nous sommes egalement interesse a l’influence des correlations sur la conductance des boites quantiques. Pour calculer numeriquement la conductance en prenant en compte toutes les correlations, nous avons utilise une methode recemment developpee : la methode de la boucle, utilisant un code base sur l’algorithme DMRG. La generalisation de la methode a des systemes inhomogenes a permis d’etudier l’effet d’une tension de grille sur la conductance d’une chaine en interaction. Bien que le couplage entre la chaine et les fils jouant le role de reservoirs soit parfait dans notre modele, nos resultats numeriques, etendus par une etude analytique dans la limite de forte interaction, montrent que le blocage de Coulomb apparait sous l’effet des correlations. L’existence de ce blocage de Coulomb en l’absence de barrieres de potentiel constitue le resultat le plus important de cette these. Enfin, nous avons aussi travaille au developpement de la methode de la boucle pour des systemes avec spin. Introduire ce degre de liberte est bien evidemment souhaitable en vue d’ameliorer le realisme des modeles etudies. Les premiers resultats que nous avons obtenus montrent que la methode est toujours valable pour ces systemes.
Impulsions ultra-courte d'électron unique pour les qubits volants La seconde révolution quantique du XXe siècle a contribué à un essor technologique en physique du solide. Les techniques d'ingénierie des matériaux couplées à celles de nanofabrication moderne ont favorisé le perfectionnement de sources d'électrons uniques sur demande. De par leur incroyable précision, elles sont désormais utilisées en métrologie et leur potentiel s'étend au récent domaine de l'optique quantique électronique, notamment à un candidat prometteur pour l’information quantique : le qubit volant électronique. Ces bits quantiques sont créés par de courtes impulsions de tension et la manipulation de leur état quantique se fait à la volée. À ce jour, l’impulsion de tension la plus courte atteint 27 ps, sur puce, dans un environnement cryogénique. Cependant, en raison de l'atténuation et de la dispersion du signal dans les lignes coaxiales, l'accès à des régimes quantiques électroniques d’échelle temporelle plus rapide demeure hors de portée.En revanche, grâce à l'avènement des lasers à impulsions ultracourtes et aux progrès en photonique et plasmonique, la technologie des photocommutateurs peut permettre la génération d'impulsions électromagnétiques de l'ordre de la picoseconde. La large bande passante de ces technologies opto-électroniques THz pourrait venir à bout de la barrière technique à laquelle sont confrontés les équipements électroniques standards. Bien que largement développées dans le cadre d'applications à température ambiante, les démonstrations d'intégration de ces technologies à une architecture quantique en environnement cryogénique restent toujours peu nombreuses. La réalisation d'une telle expérience débloquerait de nouvelles voies de recherche pour l'étude des dynamiques des dispositifs quantiques électroniques en physique du solide.Dans ce manuscrit, nous présentons la mise au point d'une installation expérimentale pouvant générer des impulsions de tension picoseconde en environnement cryogénique pour des applications de qubits volants. Un laser femtoseconde génère des impulsions qui sont injectées dans des fibres optiques intégrées à basse température. Fabriqué à la surface de GaAs basse température (LT-GaAs), un photocommutateur est cointégré au circuit quantique formé à partir d'un gaz d'électrons bidimensionnels (2DEG) à haute mobilité. Du fait de la réponse opto-électronique extrêmement rapide du LT-GaAs, le photocommutateur convertit les impulsions optiques en impulsions de tension d'une durée de quelques picosecondes seulement. Grâce à des guides d'ondes coplanaires (CPW) THz, l'impulsion est acheminée vers le 2DEG, où elle est utilisée comme source d'électrons uniques ultracourts.Pour effectuer la mesure pompe-sonde et résoudre le profil dynamique de telles impulsions, une installation expérimentale originale, impliquant des positionneurs piézo-électriques et des protocoles d'alignement à basses températures, a été mise en place. Comme preuve de concept, nous rapportons d'abord la caractérisation à 300 K d'impulsions électroniques d'une durée de 1.9 ps. Dans un deuxième temps, nous refroidissons le système à 4K, élargissant la preuve de concept aux environnements cryogéniques par la mesure d'impulsions de 2.3 ps. Ensuite, en intégrant une structure 2DEG au circuit THz, des excitations de plasmons THz ont pu être observées dans une cavité Fabry-Pérot. La fréquence de leur mode fondamental a été comparée à un modèle analytique, révélant des informations sur la densité de porteur du gaz électronique sous illumination. Parallèlement, des développements importants ont été menés sur la conception des CPWs dans le but de minimiser les réflexions indésirables du signal ainsi que les pertes par dispersion. Ces travaux ouvriront la voie à l'intégration d'impulsions de tension picoseconde dans les dispositifs quantiques nanoélectroniques et le contrôle de qubits volants électroniques par des grilles électrostatiques THz ultrarapides.
Cette thèse est consacrée à l'étude de la décohérence de paquets d'onde mono-électroniques injectés dans un conducteur quantique balistique. Les paquets d'onde sont générés à l'aide d'une capacité mésoscopique, utilisée comme source d'électrons uniques, qui sont émis à la demande dans le canal de bord externe de l'effet Hall quantique entier. Deux telles sources indépendantes et synchronisées sont positionnées sur les bras d'entrée d'une lame séparatrice électronique. La mesure des fluctuations (bruit) du courant dans les bras de sortie permet de caractériser les interférences à deux électrons se produisant sur la lame séparatrice. De cette manière, on réalise l'analogue électronique de l'interféromètre de Hong-Ou-Mandel (HOM). Il apparaît que le contraste de la figure d'interférence dépend de la forme des paquets d'onde injectés. Cette perte de cohérence est imputée au couplage capacitif, dû à l'interaction coulombienne, entre le canal de bord externe et les autres canaux de bord co-propageants, qui constituent un environnement contrôlé pour le canal externe. Afin de valider cette hypothèse, une seconde expérience est réalisée. La capacité mésoscopique y est utilisée dans un autre régime de fonctionnement, dans lequel elle permet de générer une excitation collective de la densité de charge du canal externe, appelée magnéto-plasmon de bord. En caractérisant la propagation du magneto-plasmon de bord en fonction de la fréquence d'excitation, on peut sonder l'interaction Coulombienne entre deux canaux de bord. Ces mesures montrent que cette interaction est responsable de l'apparition de deux modes propres de la propagation : un mode "chargé" rapide et un mode "neutre" lent. Elles permettent de caractériser quantitativement la vitesse de propagation du mode neutre. Les résultats de cette seconde expérience sont ensuite utilisés pour établir que la perte de contraste, observée dans l'expérience HOM, est essentiellement due à l'interaction entre canaux de bord. Ce couplage est responsable de la destruction des quasi-particules injectées par la source, un électron se séparant (ou fonctionnalisant) en deux pulses de charge e/2 au fil de sa propagation. Durant le processus de fractionnalisation, l'état généré dans le canal de bord externe s'intrique avec son environnement (canaux de bord co-propageants) entraînant la réduction du contraste dans l'expérience HOM. Ces observations ouvrent la voie à de nouvelles expériences plus complexes telles que la tomographie de l'état du paquet d'onde sur la lame séparatrice (pour valider complètement le scénario de destruction des quasi-particules) ou la protection de la cohérence de l'état dans le canal de bord externe.
La dynamique d'un système quantique est très sensible à la dimensionnalité. Alors que les systèmes électroniques à deux dimensions forment les liquides de Fermi, les systèmes à une dimension - les liquides de Tomonaga – Luttinger - sont décrits par des excitations purement bosoniques, même s’ils sont initialement constitués de fermions. Avec l'avènement de sources cohérentes à un seul électron, la dynamique quantique d'un tel liquide est maintenant accessible au niveau d'un seul électron.Dans ce travail de thèse, nous étudions le cas le plus général où le système peut être réglé en continu d’un liquide à un canal Tomonaga – Luttinger à un liquide de Fermi à plusieurs canaux dans un système non chiral. Nous utilisons des techniques de mesure résolues en temps pour déterminer le temps de vol d'un pulse électronique à un seul électron et extraire la vitesse d'excitation de la charge collective.L'analyse de la vitesse de propagation permet de révéler les effets collectifs qui régissent la physique dans notre système quasi unidimensionnel. Notre modélisation détaillée de l'électrostatique de l'échantillon nous permet de construire et de comprendre les excitations du système dans une théorie sans paramètres. Nous montrons que nos calculs auto-cohérent explique bien les mesures et valident la construction des modes collectifs bosoniques à partir des degrés de liberté fermioniques.Le contrôle temporel présenté des impulsions à un seul électron au niveau de la picoseconde sera également important pour la mise en œuvre d'architectures de guide d'ondes pour les qubits volants utilisant un seul électron. L’intégration d’une source de leviton dans un interféromètre à guide d’ondes permettrait de réaliser des architectures de qubits volants à un électron similaires à celles utilisées en optique quantique linéaire. De plus, nos études ouvrent la voie à l’étude de la dynamique en temps réel d’un dispositif nanoélectronique quantique, telle que la mesure de l’étalement temporel ou de la dynamique de fractionnement de la charge du paquet d’ondes électroniques pendant la propagation.
Mesures résolues en temps des effets collectifs dans les conducteurs quantiques La dynamique d'un système quantique est très sensible à la dimensionnalité. Alors que les systèmes électroniques à deux dimensions forment les liquides de Fermi, les systèmes à une dimension - les liquides de Tomonaga – Luttinger - sont décrits par des excitations purement bosoniques, même s’ils sont initialement constitués de fermions. Avec l'avènement de sources cohérentes à un seul électron, la dynamique quantique d'un tel liquide est maintenant accessible au niveau d'un seul électron.Dans ce travail de thèse, nous étudions le cas le plus général où le système peut être réglé en continu d’un liquide à un canal Tomonaga – Luttinger à un liquide de Fermi à plusieurs canaux dans un système non chiral. Nous utilisons des techniques de mesure résolues en temps pour déterminer le temps de vol d'un pulse électronique à un seul électron et extraire la vitesse d'excitation de la charge collective.L'analyse de la vitesse de propagation permet de révéler les effets collectifs qui régissent la physique dans notre système quasi unidimensionnel. Notre modélisation détaillée de l'électrostatique de l'échantillon nous permet de construire et de comprendre les excitations du système dans une théorie sans paramètres. Nous montrons que nos calculs auto-cohérent explique bien les mesures et valident la construction des modes collectifs bosoniques à partir des degrés de liberté fermioniques.Le contrôle temporel présenté des impulsions à un seul électron au niveau de la picoseconde sera également important pour la mise en œuvre d'architectures de guide d'ondes pour les qubits volants utilisant un seul électron. L’intégration d’une source de leviton dans un interféromètre à guide d’ondes permettrait de réaliser des architectures de qubits volants à un électron similaires à celles utilisées en optique quantique linéaire. De plus, nos études ouvrent la voie à l’étude de la dynamique en temps réel d’un dispositif nanoélectronique quantique, telle que la mesure de l’étalement temporel ou de la dynamique de fractionnement de la charge du paquet d’ondes électroniques pendant la propagation.