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.
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.
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.
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'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.
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).
Les circuits supraconducteurs sont des systèmes quantiques artificiels dont les propriétés peuvent être choisies pour répondre aux exigences de chaque application spécifique. Un circuit supraconducteur typique est conçu pour avoir une transition suffisamment anharmonique pour être utilisée comme un qubit, qui peut être facilement manipulé et lu grâce à son interaction forte (dipolaire) avec le champ électromagnétique. Un fort moment dipolaire fort est particulièrement intéressant en vue d'interfacer le circuit supraconducteur avec d'autres systèmes quantiques. Par exemple, la fluorescence de spins électroniques individuels a été détectée avec succès en utilisant un détecteur de photons micro-ondes basé sur un qubit supraconducteur, opérant dans la bande des 5-10 GHz. Dans le domaine de l'acousto-dynamique sur circuit (cQAD), le couplage entre un qubit et un résonateur piézoélectrique est utilisé pour détecter et manipuler l'état phononique, typiquement dans la plage 2-10 GHz. Cependant, adapter ces schémas de détection à des fréquences inférieures, en dessous de la fréquence de fonctionnement conventionnelle des qubits supraconducteurs, s'accompagne de nouveaux défis. D'abord, les qubits supraconducteurs sont lus grâce à l'intéraction dispersive avec un résonateur supraconducteur auxiliaire. Le couplage dispersif diminuant rapidement lorsque le désaccord dépasse l'anharmonicité du qubit, les qubits faiblement anharmoniques, tels que les transmons, nécessitent des résonateurs presque résonants dont les dimensions évoluent inversement avec la fréquence (par exemple, une cavité coplanaire λ/2 de 1 MHz nécessite un guide d'onde de 100 m de long). Deuxièmement, les systèmes à basse fréquence sont couplés à un bain thermique chaud avec lequel ils échangent des photons de manière aléatoire, transformant rapidement les états quantiques purs en mélanges statistiques. Le qubit fluxonium, composé d'une jonction Josephson court-circuitée simultanément par une grande inductance et une capacité, présente des opportunités uniques dans le domaine des qubits supraconducteurs à basse fréquence. Dans ce travail, nous démontrons un fluxonium lourd avec une fréquence de transition exceptionnellement basse de 1.8 MHz, tout en maintenant la capacité de manipuler et de lire le qubit en utilisant des techniques micro-ondes standard. Cela est rendu possible par le spectre d'énergie hautement non linéaire du fluxonium, où la première transition se produit dans la plage des MHz tandis que les transitions vers des états excités supérieurs sont dans la plage 3-10 GHz. Nous démontrons avec succès le refroidissement par bande latérale résolue du fluxonium, réduisant sa température effective à 23 μK et atteignant une population de l'état fondamental de 97,7%. Nos expériences révèlent en outre les capacités de manipulation cohérente du qubit, avec des temps de cohérence de T1 = 34 μs et T2* = 39 μs, accompagnés d'une lecture d'état projective.Nous démontrons en outre la sensibilité accrue du qubit aux champs de radiofréquence, obtenue par interaction directe avec un guide d'onde couplé capacitivement. En employant un protocole de préparation et de mesure cyclique, nous transformons le fluxonium en un capteur de charge résolu en fréquence précis, affichant une sensibilité de charge de 33 μe/√Hz. Cela se traduit par une sensibilité énergétique de 2.8ℏ par hertz, rivalisant avec les capteurs basés sur le transport, tout en restant intrinsèquement immunisé aux offsets de charge DC. La grande capacité de l'électrode ce notre capteur de charge basé sur le fluxonium (~50 fF) est très bénéfique dans les applications réelles de détection de charge, où la sensibilité est diluée lorsque la capacité propre du système sondé dépasse celle du capteur. Ce travail ouvre la voie à de nouvelles investigations expérimentales sur les phénomènes quantiques dans la plage de 1 à 10 MHz, y compris le régime de couplage fort avec des résonateurs mécaniques macroscopiques.