Optimisation de membranes en nitrure de silicium pour des circuits mécaniques-supraconducteurs hybrides Dans cette thèse, nous étudions un résonateur mécanique optimisé qui est couplé à une cavité micro-ondes. Au cours d'une expérience préliminaire, des photons micro-ondes sont employés comme bain froid pour réduire la température de l'oscillateur mécanique d'un facteur 500. Nous introduisons plusieurs améliorations à ces membranes dans l’optique de les refroidir jusqu’à leur état quantique fondamental. En particulier, nous explorons la physique riche des bandgaps phononiques pour isoler un mode de facteur de qualité ultra-élevé de ses canaux de décohérence, une méthode connue sous le nom de ``soft-clamping''. Avec un interféromètre limité quantiquement et capable de résoudre le mouvement Brownien des membranes, nous reconstruisons le profil des modes de la membrane. Grâce à cette expérience, nous identifions un groupe de modes parasitiques qui dégradent fortement le facteur de qualité des modes "soft-clamped''. Des stratégies d'optimisation du profil spectral sont donc implémentées pour assurer la performance optimale des membranes "soft-clamped''. Une fois intégrées dans une cavité électromécanique, les membranes optimisées qui ont été développées au cours de cette thèse devraient opérer profondément dans le régime quantique. Nous discutons des perspectives pour préparer des états de mouvement non-classiques qui exploitent la nonlinéarité des qubits supraconducteurs. Nous proposons en particulier une méthode pour réussir cela en utilisant un détecteur de photons micro-ondes uniques, qui a été développé en collaboration avec le LPENS. Un tel système électromécanique hybride pourrait être utilisé pour stocker des état quantiques fragiles à l'échelles des secondes, pour mesurer avec une précision sans précédent des forces infimes, ou encore pour sonder la frontière entre les mondes classiques et quantiques.
Optimisation de membranes en nitrure de silicium pour des circuits mécaniques-supraconducteurs hybrides Dans cette thèse, nous étudions un résonateur mécanique optimisé qui est couplé à une cavité micro-ondes. Au cours d'une expérience préliminaire, des photons micro-ondes sont employés comme bain froid pour réduire la température de l'oscillateur mécanique d'un facteur 500. Nous introduisons plusieurs améliorations à ces membranes dans l’optique de les refroidir jusqu’à leur état quantique fondamental. En particulier, nous explorons la physique riche des bandgaps phononiques pour isoler un mode de facteur de qualité ultra-élevé de ses canaux de décohérence, une méthode connue sous le nom de ``soft-clamping''. Avec un interféromètre limité quantiquement et capable de résoudre le mouvement Brownien des membranes, nous reconstruisons le profil des modes de la membrane. Grâce à cette expérience, nous identifions un groupe de modes parasitiques qui dégradent fortement le facteur de qualité des modes "soft-clamped''. Des stratégies d'optimisation du profil spectral sont donc implémentées pour assurer la performance optimale des membranes "soft-clamped''. Une fois intégrées dans une cavité électromécanique, les membranes optimisées qui ont été développées au cours de cette thèse devraient opérer profondément dans le régime quantique. Nous discutons des perspectives pour préparer des états de mouvement non-classiques qui exploitent la nonlinéarité des qubits supraconducteurs. Nous proposons en particulier une méthode pour réussir cela en utilisant un détecteur de photons micro-ondes uniques, qui a été développé en collaboration avec le LPENS. Un tel système électromécanique hybride pourrait être utilisé pour stocker des état quantiques fragiles à l'échelles des secondes, pour mesurer avec une précision sans précédent des forces infimes, ou encore pour sonder la frontière entre les mondes classiques et quantiques.
Cette thèse se concentre sur l'étude des résonateurs optomécaniques intégrés dans le régime quantique. Ils constituent en effet une plateforme très prometteuse pour plusieurs applications quantiques telles que la détection quantique (exploitation des états non-classiques du mouvement pour augmenter la sensibilité), les mémoires quantiques (les résonateurs mécaniques ont démontré de très longues durées de vie) et les transducteurs quantiques (conversion de l'information quantique encodée dans les photons micro-ondes des qubits supraconducteurs en photons télécom par l'interaction avec un résonateur mécanique). Ce travail s'est concentré sur le développement d'un transducteur quantique électro-optomécanique intégré sur silicium sur isolateur (SOI) et compatible CMOS, et d'un montage optomécanique pour permettre son fonctionnement dans le régime quantique à l'avenir. En collaboration avec l'Institut Néel et le CEA LETI à Grenoble, nous avons donc conçu un cristal optomécanique (OMC) 1D suspendu, couplé mécaniquement à un cristal électromécanique (EMC) pour former des supermodes mécaniques dans la gamme de fréquence des GHz. Ces supermodes peuvent être adressés à la fois par une cavité optique (un mode de défaut optique confiné dans le OMC) et par un résonateur supraconducteur via le couplage capacitif assuré par le EMC. Néanmoins, pour réaliser des opérations quantiques avec un tel dispositif, il est nécessaire d'éviter l'ajout de photons provenant du bain thermique mécanique, et donc de préparer le résonateur mécanique dans son état fondamental de mouvement où l'occupation moyenne des phonons est proche de zéro. Nous avons donc mis au point un montage pour préparer comme preuve de concept un résonateur optomécanique, un disque optomécanique en arséniure de gallium (qui confine des modes de galerie optiques de haute qualité bien couplés à un mode de respiration radiale mécanique à haute fréquence autour de 1 GHz), dans son état de mouvement fondamental en le refroidissant à 10 mK à l'aide d'une réfrigération par dilution. Pour mesurer l'occupation moyenne des phonons, nous avons réalisé une thermométrie des bandes latérales par comptage de photons, qui implique deux lasers bleu et rouge désaccordés d'une fréquence mécanique par rapport à la résonance optique pour entraîner des interactions optomécaniques de type Raman. Les photons diffusés par le processus optomécanique à la résonance optique sont conservés et comptés sur un détecteur de photons uniques, et les photons pompes rejetés spectralement. Grâce à cette mesure, nous avons pu démontrer une occupation moyenne des phonons de nb=0,66+-0,20, confirmant la préparation de ce résonateur très proche de son état fondamental du mouvement. Enfin, nous avons proposé une nouvelle géométrie de résonateurs optomécaniques intégrés à forte coopérativité quantique dans le silicium et l'arséniure de gallium, appelée « microgear ».
Un nœud quantique supraconducteur pour la détection quantique Le progrès en physique va de pair avec l'amélioration de la précision des mesures. Le principe d'incertitude d'Heisenberg met une limite sur le niveau minimal de bruit de la mesure mais les appareils de mesure classiques sont généralement incapables de s'approcher de cette limite fondamentale. Dans cette thèse, nous présentons trois expériences qui vont au-delà de la limite classique. Ces trois expériences sont réalisées en utilisant un même circuit supraconducteur appelé nœud quantique. Les premiers chapitres de cette thèse présentent le principe d'incertitude, les outils que l'électrodynamique quantique peut nous apporter pour s'approcher de cette limite ainsi que le circuit du nœud quantique lui-même. Dans la première expérience, nous montrons comment on peut résoudre l'énergie d'une unique impulsion micro-ondes jusqu'au niveau du photon sans le détruire. Nous réalisons ensuite une tomographie de l'état mesuré pour montrer le principe fondamental de la rétro-action de la mesure quantique. Dans la deuxième expérience, nous utilisons deux interactions paramétriques simultanément pour stabiliser un mode électromagnétique dans un état comprimé bien plus fortement que la limite habituelle des 3 dB. Finalement, dans la troisième expérience, nous présentons la première réalisation d'un radar quantique fonctionnant dans les fréquences micro-ondes. Malgré ses applications pratiques limitées, cette expérience est un rare exemple d'amélioration en métrologie quantique qui est robuste au bruit.
Le progrès en physique va de pair avec l'amélioration de la précision des mesures. Le principe d'incertitude d'Heisenberg met une limite sur le niveau minimal de bruit de la mesure mais les appareils de mesure classiques sont généralement incapables de s'approcher de cette limite fondamentale. Dans cette thèse, nous présentons trois expériences qui vont au-delà de la limite classique. Ces trois expériences sont réalisées en utilisant un même circuit supraconducteur appelé nœud quantique. Les premiers chapitres de cette thèse présentent le principe d'incertitude, les outils que l'électrodynamique quantique peut nous apporter pour s'approcher de cette limite ainsi que le circuit du nœud quantique lui-même. Dans la première expérience, nous montrons comment on peut résoudre l'énergie d'une unique impulsion micro-ondes jusqu'au niveau du photon sans le détruire. Nous réalisons ensuite une tomographie de l'état mesuré pour montrer le principe fondamental de la rétro-action de la mesure quantique. Dans la deuxième expérience, nous utilisons deux interactions paramétriques simultanément pour stabiliser un mode électromagnétique dans un état comprimé bien plus fortement que la limite habituelle des 3 dB. Finalement, dans la troisième expérience, nous présentons la première réalisation d'un radar quantique fonctionnant dans les fréquences micro-ondes. Malgré ses applications pratiques limitées, cette expérience est un rare exemple d'amélioration en métrologie quantique qui est robuste au bruit.
Optomécanique micro-onde à ultra-basses températures pour la détection quantique Dans cette thèse, nous introduisons premièrement ce qu’est l’optomécanique ainsi que ce pourquoi les technologies basées sur cette physique peuvent-être utilisées. Nous présentons les systèmes optomécaniques comme étant d’une incroyable sensibilité en force/position et discutons de leurs extraordinaires capacités tel que la détection d’ondes gravitationnelles. De plus, les récents intérêts portant sur l’obervation et l’exploitation des mouvements mécaniques macroscopiques à la limite quantique nous ont amené à mesurer toujours plus bas en temperatures (ainsi qu’à réduire la taille des objects utilisés), ce qui à stimulé le développement d’un nouveau domaine de recherche dans lequel des photons de plus basse énergie (bien plus compatibles avec les basses températures) sont utilisés : l’optomécanique micro-onde. Des circuits micro-ondes supraconducteurs sont donc utilisés et font ainsi passerelle entre l’optomécanique et l’électronique quantique, ce qui positionne l’optomécanique microonde comme une nouvelle ressource pour le traitement quantique de l’information. Les plateformes optomécaniques micro-onde fournissent aussi des capacités uniques pour ce qui est de tester la mécanique quantique au niveau le plus basique. En effet, il ne fait aucun doute que la mécanique quantique s’applique à l’oscillateur harmonique qui représente le mouvement mécanique. Cependant, presque toutes les expérimentations se concentrent sur les deux modes (bosoniques) impliqués dans le couplage optomécanique, à savoir, le mode mécanique ainsi que le mode optique. La plupart des expérimentateurs s’appuient aujourd’hui sur le refroidissement optique actif pour amener l’unique degré de liberté mécanique sur lequel l’intérêt est porté au plus proche de l’état quantique fondamental. Ces objets mécaniques sont donc utilisés hors-équilibre, leur environnement directe étant essentiellement incontrôlé. Cependant, considérant ces systèmes en termes de détecteur opérant à la limite quantique, où devons nous concentrer notre attention ? Sur le bain bien sûr, celui-ci interagissant continûment avec le degré de liberté mécanique. A ce jour, ce n’est pas l’objectif suivi par la plupart des groupes de recherche, et seulement très peu d’expérimentateurs font face à ces questions. Dans ce cas, le sujet d’étude n’est plus le système lui-même, mais son bain environnant. L’objectif est donc de rechercher des déviations aux signatures attendues de l’impact de l’environnement sur la dynamique de la mécanique. Ces signatures pourraient être due à un certain type d’éffondrement stochastique lié par exemple à la gravité quantique. Pour étudier ce sujet, nous avons donc besoin de comprendre parfaitement les comportements des systèmes optomécaniques micro-onde en régime classique ainsi qu’en régime quantique. De plus, contrôler à la perfection leurs bains environnants est une nécessité. Ce projet extrêmement ambitieux requiert donc une expertise certaine en théorie quantique, en cryogénie (démagnétisation nucléaire), ainsi qu’en technologie micro-onde (détection à la limite quantique). Ces points sont le sujet de cette thèse expérimentale.
Les circuits supraconducteurs quantiques sont à la base des qubits supraconducteurs en informatique quantique et d'une grande quantité d'autres technologies quantiques. La performance de ces circuits est principalement limitée par les pertes diélectriques causées par la présence de défauts aux interfaces des matériaux. La nécessité d'une haute résistance au champ magnétique pour certaines applications implique l'utilisation de supraconducteurs désordonnés contenant plus de défauts. L'objectif de ce projet est l'amélioration des performances des circuits supraconducteurs quantiques utilisant des matériaux désordonnés. Pour ce faire, des résonateurs micro-ondes lambda/4 supraconducteurs en guide d'ondes coplanaire (CPW) sont conçus et fabriqués en nitrure de niobium (NbN). Leur performance est quantifiée par la mesure de leur facteur de qualité interne (Q_i) à température cryogénique dans un réfrigérateur à dilution. L'impact de la géométrie sur le facteur de qualité est étudié en variant la recette de gravure, la profondeur de surgravure ainsi que les dimensions du CPW. Ces résultats sont comparés à des simulations électrostatiques par éléments finis utilisant COMSOL Multiphysics. La résistance au champ magnétique est évaluée par des mesures cryogéniques sous champ magnétique parallèle. Le NbN utilisé pour la fabrication des résonateurs possède un champ critique supérieur B_(c2, perp) ~ 66 T. Les résonateurs conçus et mesurés dans le cadre de cette étude ont montré un facteur de qualité interne maximal de 6x10^5 dans le régime du photon unique. Il a été conclu qu'une gravure isotrope et une grande surgravure augmentent le facteur de qualité interne. L'élargissement des dimensions du CPW contribue également à l'augmentation du Q_i. Les mesures de résonateurs sous champ magnétique parallèle ont montré une diminution du facteur de qualité interne, qui demeure supérieur à 1x10^4 à 1 T.
Mesure et contrôle assisté par réseau de neurones de modes micro-ondes quantiques avec des circuits supraconducteurs L'association d'un bit quantique et d'un mode harmonique couplé dispersivement est l'un des systèmes les plus étudiés dans le domaine de l'électrodynamique quantique de circuits supraconducteurs. Il offre un des moyens actuels les plus fiables pour mesurer l'état d'un bit quantique de manière non-destructive, et a permis nombre d'expériences d'information quantique étudiant l'information obtenue via cette mesure et la dynamique du qubit lorsqu'il y est soumis. Il offre également la possibilité de préparer et de manipuler l'état quantique du mode harmonique grâce au qubit, ce qui permet de stocker et de manipuler de l'information dans ce mode. C'est notamment crucial pour des applications telles que la construction d'un ordinateur quantique. Dans cette thèse sont présentées deux expériences reposant sur cette architecture. La première démontre comment utiliser la fluorescence du qubit pour lire le nombre de de photons contenus dans le mode de manière non-destructive et en un seul coup, c'est-à-dire avant que les photons soient dissipés. Cela permet de mesurer des trajectoires du nombre de photons, et de les voir quitter la cavité un par un. L'analyse de cette expérience repose sur une analyse de la fluorescense en termes de modes propageants, et permet d'aborder un certain nombre de questionnements sur l'information que peuvent contenir ces modes. La seconde constitue une démonstration de l'utilisation d'un réseau de neurones dans le cadre de la préparation d'états quantiques dans le mode. Il s'agit ici d'accélérer l'optimisation des impulsions électromagnétiques de contrôle du mode et du qubit pour créer un état quantique dans le mode avec une grande fidélité, et ce pour une grande classe d'états. Pour évaluer l'efficacité de ce nouveau protocole d'optimisation sur l'ensemble de cette classe, une manière optimale d'évaluer la fidélité des états préparés à partir d'un protocole de mesure de la fonction de Wigner du mode a été pour la première fois implémentée expérimentalement.