Electrodynamique quantique en circuit hybride avec un spin de trou dans le silicium Le couplage cohérent et fort entre les photons et les qubits basés sur des matériaux solides, sous la forme de l'électrodynamique quantique de circuit (en anglais circuit QED), a été exploité notamment pour les portes logiques à deux qubits et la lecture haute fidélité sans démolition d’état formant les blocs fondateurs du calcul quantique. Récemment, la circuit QED a été étendue aux boîtes quantiques semi-conductrices définies par des grilles. Dans cette thèse, nous développons une nouvelle architecture hybride de circuit QED composée d'un résonateur micro-onde supraconducteur à haute impédance et de spins localisés dans des boîtes quantiques en silicium-MOS. Afin de contrôler et mesurer les degrés de liberté du spin, ce système hybride doit s'opérer dans un champ magnétique fini. Par conséquent, nous développons et caractérisons les résonateurs micro-ondes formés dans un film mince de nitrure de niobium (NbN) comportant une haute cinétique inductance. Nous démontrons la résilience au champ magnétique et une faible perte de photons des résonateurs à haute impédance. Nous co-intégrons ensuite les résonateurs sur les puces des qubits de spin en silicium. Avec le confinement d'un trou dans une double boîte quantique (DQD), nous présentons la première démonstration d'une interaction forte entre une charge de trou et un photon à la limite du régime de couplage ultra-fort. Sous champ magnétique fini, nous observons des répulsions des états de Rabi du vide caractéristiques d'un couple fort spin-photon. Nos résultats sont bien capturés par la modélisation d'un trou dans une DQD avec une réponse anisotrope différente dans chaque boîte et des taux de tunnel dépendant du couplage spin-orbite. Nous trouvons également un couplage spin-photon conséquent lorsque le trou est localisé dans une boîte quantique unique, en accord avec les prédictions théoriques récentes. Ces différents travaux présentés dans ce manuscrit ouvrent la voie à un circuit QED avec des spins de trous dans une boîte quantique semi-conductrice définie par des grilles.
Electrodynamique quantique en circuit hybride avec un spin de trou dans le silicium Le couplage cohérent et fort entre les photons et les qubits basés sur des matériaux solides, sous la forme de l'électrodynamique quantique de circuit (en anglais circuit QED), a été exploité notamment pour les portes logiques à deux qubits et la lecture haute fidélité sans démolition d’état formant les blocs fondateurs du calcul quantique. Récemment, la circuit QED a été étendue aux boîtes quantiques semi-conductrices définies par des grilles. Dans cette thèse, nous développons une nouvelle architecture hybride de circuit QED composée d'un résonateur micro-onde supraconducteur à haute impédance et de spins localisés dans des boîtes quantiques en silicium-MOS. Afin de contrôler et mesurer les degrés de liberté du spin, ce système hybride doit s'opérer dans un champ magnétique fini. Par conséquent, nous développons et caractérisons les résonateurs micro-ondes formés dans un film mince de nitrure de niobium (NbN) comportant une haute cinétique inductance. Nous démontrons la résilience au champ magnétique et une faible perte de photons des résonateurs à haute impédance. Nous co-intégrons ensuite les résonateurs sur les puces des qubits de spin en silicium. Avec le confinement d'un trou dans une double boîte quantique (DQD), nous présentons la première démonstration d'une interaction forte entre une charge de trou et un photon à la limite du régime de couplage ultra-fort. Sous champ magnétique fini, nous observons des répulsions des états de Rabi du vide caractéristiques d'un couple fort spin-photon. Nos résultats sont bien capturés par la modélisation d'un trou dans une DQD avec une réponse anisotrope différente dans chaque boîte et des taux de tunnel dépendant du couplage spin-orbite. Nous trouvons également un couplage spin-photon conséquent lorsque le trou est localisé dans une boîte quantique unique, en accord avec les prédictions théoriques récentes. Ces différents travaux présentés dans ce manuscrit ouvrent la voie à un circuit QED avec des spins de trous dans une boîte quantique semi-conductrice définie par des grilles.
De la lecture d'un qubit à celle d'un état à N corps dans les plateformes d'électrodynamique quantique de circuit La manipulation et le contrôle robustes des systèmes quantiques nécessitent une méthode rapide et efficace pour lire leur état. Après quel’électrodynamique quantique en cavité (cavity QED) a ouvert la voieà la manipulation d’atomes neutres et d’ions à l’aide de la lumière,l’électrodynamique quantique en circuit (circuit QED) est devenue leparadigme dominant pour la lecture d’atomes artificiels tels que les circuits supraconducteurs, la lecture dispersive étant largement adoptéepour sa stabilité et son efficacité. Récemment, la lecture longitudinale est apparue comme un protocole delecture potentiellement plus rapide, mais elle repose sur une modulation paramétrique sophistiquée dont les mécanismes sous-jacents demeurentencore mal compris. Les interactions longitudinales ont été démontrées sur diverses plateformes allant des qubits supraconducteurs aux boîtes quantiques, et reposent sur l’excitation du qubit à la fréquence du résonateur.Dans différents régimes, le couplage apparaît de manière paramétrique en fonction de l’amplitude de l’excitation, croissant linéairement avec celle-ci.Dans ce manuscrit, nous démontrons expérimentalement la rupture de ce régime paramétrique dans un qubit de charge à deux niveaux basé sur une boîte quantique, et nous développons une théorie de Floquetunifiée établissant une connexion universelle entre le décalage AC Stark, le couplage longitudinal et la lecture dispersive en cQED.Nous dérivons des résultats analytiques, appuyés par des simulations numériques exactes, que nous appliquons à des systèmes cQED supraconducteurs et hybrides spin-charge, illustrant la flexibilité de la lecturelongitudinale plus rapide que la lecture dispersive.Inspirés par les capacités de lecture de la cQED pour les mesuressur un seul qubit, nous abordons la lecture d’états à plusieurs corpsdans les simulateurs quantiques. Puisque le facteur de structure dynamique (DSF) encode des informations essentielles sur les excitationsde densité dans les systèmes quantiques, nous proposons la spectroscopied’admittance multi-corps (MADS) comme une méthode faiblement invasive pour sonder le DSF en analysant les coefficients de transmission dessignaux micro-ondes couplés au simulateur quantique. Nous démontrons cette approche sur une chaîne unidimensionnelle de fermions sans spin,représentative des implémentations du modèle de Heisenberg à base de boîtes quantiques, et nous discutons, à l’aide de simulations numériquesobtenues par diagonalisation exacte et par la méthode du groupe de renormalisation de la matrice de densité (DMRG), de la possibilité demesurer les modifications qualitatives du DSF induites par les interactions. Nos résultats mettent en évidence le potentiel de la MADS pour lacaractérisation des propriétés dynamiques des simulateurs quantiques à semi-conducteurs hautement réglables, élargissant ainsi la boîte à outils dédiée à la lecture des simulateurs quantiques.
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.
Un atome artificiel supraconducteur en V pour les circuits en électrodynamique quantique Cette thèse porte sur la réalisation expérimental d'un atome artificiel possédant un diagramme énergétique en forme de V. Inspiré par les expériences des ions piégés, nous avons théoriquement prédit une lecture ultra rapide et de haute fidélité de l'état d'un qubit en utilisant un atome artificiel en forme de V dans une architectures d'électrodynamiques de circuits quantique. Pour réaliser cette expérience, nous avons développé une installation expérimental pour effectuer des mesures de transmissions de nos circuits quantiques supra-conducteur par une méthode hétérodyne. Nous avons aussi mis en oeuvre un environnement matériel et logiciel permettant des spectroscopies multi-tons et des mesures résolus en temps afin de contrôler l'état quantique de l'atome artificiel et l'état de photon cohérent dans le résonateur. De plus nous avons caractérisé des résonateurs micro-ondes quart d'ondes fabriqués à partir d'Aluminium et de Rhénium épitaxié. Le dispositif quantique original est fabriqué en couplant inductivement deux transmons. Lorsque le couplage inductif est de l'ordre de grandeur de l'inductance Josephson, nous observons des modes d'oscillations "en-phase" et "hors-phase" de la phase à travers les jonctions. Le spectre d'énergie du système, mesuré par des spectroscopies deux-tons, est précisément décrit par notre modèle analytique. Dans la limite des excitations de petites énergies, les deux modes peuvent être considérés comme des simples systèmes à deux niveaux appelés ci-après qubits. A zéro champ magnétique, il a été observé que les deux qubits deviennent couplés uniquement par une anharmonicité croisée. Cela a été révélé, à travers des spectroscopies trois-tons, par un décalage conditionnel de la fréquence de transition d'un qubit dépendant de l'état de l'autre qubit aussi grand que 115 MHz. Tous ces résultats expérimentaux démontrent un diagramme énergétique en V pour notre atome artificiel ce qui ouvre la voie pour des expérience originales dans le domaine de l'électrodynamique quantique.
Développement d'une mémoire quantique à base de spins pour les qubits supraconducteurs Cette thèse porte sur la réalisation d'un processeur quantique hybride, dans lequel les degrés de liberté collectifs d'un ensemble de spins sont utilisés comme une mémoire quantique multimode pour les qubits supraconducteurs. Nous concevons un protocole capable de stocker et de récupérer à la demande les états d'un grand nombre de qubits dans un ensemble de spin et nous démontrons les briques de bases des opérations mémoires avec des centres NV dans le diamant. Le protocole repose sur le couplage des spins à un résonateur à fréquence et facteur de qualité accordable. Les états quantiques sont écrits par absorption résonante d'un photon micro-ondes dans l'ensemble de spins, et lus par application d'une séquence d'impulsions aux spins. L'étape d'écriture du protocole est démontrée dans une première expérience dans laquelle sont intégrés sur la même puce un qubit supraconducteur, un résonateur à fréquence accordable, et l'ensemble de spins. Les états du qubit sont stockés dans les spins via le résonateur. Après le stockage, l'état quantique collectif qui en résulte est rapidement déphasé en raison de l'élargissement inhomogène de l'ensemble et une séquence de refocalisation doit être appliquée sur les spins pour déclencher la réémission collective comme un écho de l'état quantique initialement absorbé. Dans une seconde expérience, nous démontrons une brique de base importante de cette opération de lecture, qui consiste à récupérer de multiples impulsions micro-ondes classiques au niveau du photon unique en utilisant des techniques d’écho de Hahn. Enfin, le repompage optique des spins est implémenté afin de réinitialiser la mémoire entre deux séquences successives.
Cette thèse porte sur la réalisation d'un processeur quantique hybride, dans lequel les degrés de liberté collectifs d'un ensemble de spins sont utilisés comme une mémoire quantique multimode pour les qubits supraconducteurs. Nous concevons un protocole capable de stocker et de récupérer à la demande les états d'un grand nombre de qubits dans un ensemble de spin et nous démontrons les briques de bases des opérations mémoires avec des centres NV dans le diamant. Le protocole repose sur le couplage des spins à un résonateur à fréquence et facteur de qualité accordable. Les états quantiques sont écrits par absorption résonante d'un photon micro-ondes dans l'ensemble de spins, et lus par application d'une séquence d'impulsions aux spins. L'étape d'écriture du protocole est démontrée dans une première expérience dans laquelle sont intégrés sur la même puce un qubit supraconducteur, un résonateur à fréquence accordable, et l'ensemble de spins. Les états du qubit sont stockés dans les spins via le résonateur. Après le stockage, l'état quantique collectif qui en résulte est rapidement déphasé en raison de l'élargissement inhomogène de l'ensemble et une séquence de refocalisation doit être appliquée sur les spins pour déclencher la réémission collective comme un écho de l'état quantique initialement absorbé. Dans une seconde expérience, nous démontrons une brique de base importante de cette opération de lecture, qui consiste à récupérer de multiples impulsions micro-ondes classiques au niveau du photon unique en utilisant des techniques d’écho de Hahn. Enfin, le repompage optique des spins est implémenté afin de réinitialiser la mémoire entre deux séquences successives.
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.