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.
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.
L'expériences d'optique quantique avec un unique électron volant dans la matière condensée Ce travail de thèse porte sur l’étude fondamentale de systèmes nano-électroniques,mesurés à très basse température. Nous avons réalisé des interféromètres électroniques àdeux chemins à partir d’électrons balistiques obtenus dans un gaz 2D d’électrons d’unehétéro-structure GaAs/AlGaAs. Nous montrons que la phase des électrons, et ainsileur état quantique,peut être contrôlée par des grilles électrostatiques. Ces dispositifsse révèlent être des candidats prometteurs pour la réalisation d’un qubit volant. Nousavons développé une simulation numérique évoluée d’un modèle de liaisons fortes à partirde transport quantique ballistique qui décrit toutes les découvertes expérimentales etnous apporte une connaissance approfondie sur les signatures expérimentales de cesdispositifs particuliers. Nous proposons des mesures complémentaires de ce système dequbit volants. Pour atteindre le but ultime, à savoir un qubit volant à un électron unique,nous avons assemblé la source à électron unique précédemment développée dans notreéquipe à un beam splitter électronique. Les électrons sont alors injectés depuis une boîtequantique à un train de boîte quantiques en mouvement. Ce potentiel électrostatique enmouvement est généré par des ondes acoustiques de surface créées par des transducteursinter-digités sur le substrat GaAs piézo-électrique. Nous avons étudié et optimisé chacunde ces composants fondamentaux nécessaires à la réalisation d’un beam splitter à électronunique et développé un procédé local et fiable de fabrication. Ce dispositif nous permet d’étudier les interactions électroniques pour des électrons isolés et pourra servir de basede mesure pour des expériences d’optique quantiques sur un système électronique del’état condensé. Enfin, nous avons développé un outil puissant de simulation du potentielélectrostatique à partir de la géométrie des grilles. Ceci permet d’optimiser la conceptiondes échantillons avant même leur réalisation. Nous proposons ainsi un prototype optimiséde beam splitter à électron unique.
Expériences d'optique quantique électronique à l'échelle d'une seule particule Au cours des 25 dernières années, il n'y a eu que quelques rapports sur des expériences de type optique quantique avec des électrons.Les progrès réalisés dans ce récent domaine de recherche ont permis de mettre au point des techniques originales pour piéger, déplacer et manipuler les électrons dans des dispositifs à l'état solide.Ces progrès ouvrent de nouvelles perspectives pour l'étude de phénomènes quantiques fascinants tels que l'effect tunnel ou l'intrication avec les électrons.En raison de la contrôlabilité exigée dans les implémentations possibles de circuits logiques quantiques, il est maintenant particulièrement intéressant de réaliser des expériences d'optique quantique électronique avec des électrons volants uniques.Dans cette thèse, nous abordons deux expériences liées, mais conceptuellement différentes, d'optique quantique électronique au niveau de la particule unique.Toutes les expériences menées dans le cadre de cette thèse ont été réalisées à des températures cryogéniques avec des dispositifs définis par Schottky-gates dans des hétérostructures AlGaAs/GaAs.Tout d'abord, nous effectuons une expérience d'interférence d'électrons de type Mach-Zehnder dans le régime de transport balistique.En formant un grand point quantique dans l'une des branches de l'interféromètre, nous étudions le déphasage de la fonction d'onde d'un électron transmis de façon résonnante.Au cours de nos mesures, nous trouvons des signatures d'un comportement de transmission qui reflète les symétries internes des états propres des boîtes quantiques.Nos résultats mettent en lumière la question de longue date d'un comportement de phase de transmission universelle dans des boîtes quantiques en grand taille.Nous avons ainsi posé un jalon important vers une compréhension globale de la transmission par résonance d'électrons volants simples par des boîtes quantiques.Dans une deuxième expérience, nous allons au-delà du régime de transport balistique.Nous utilisons des ondes acoustiques de surface pour transporter un seul électron entre les boîtes quantiques définies par la grille de surface dans un circuit couplé par l'effect tunnel.Nous développons deux blocs de base essentiels pour partitionner et coupler les électrons volants simples dans un tel circuit piloté par le son.En dépassant une efficacité de transfert simple de 99 %, nous montrons qu'un circuit électronique quantique piloté par le son est réalisable à grande échelle.Nos résultats ouvrent la voie à des opérations de logique quantique avec des qubits d'électrons volants qui surfent sur une onde acoustique.
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.
Interférence quantique avec des impulsions de tensions ultracourtes Les interférences quantiques sont une pierre angulaire de la physique quantique, fournissant des informations profondes sur la dualité onde-particule et la cohérence quantique. Dans les systèmes mésoscopiques, les interférences ont principalement été étudiées dans le régime DC, en utilisant des anneaux Aharonov-Bohm et des interféromètres de Mach-Zehnder électroniques (MZI). Dans cette limite adiabatique, où le champ appliqué est constant, la cohérence de phase et les mécanismes de décohérence ont été largement étudiés. Cependant, avec l'avènement de l'optique quantique électronique et le développement de sources d'électrons à la demande, il est désormais possible de générer des impulsions de tension ultra-courtes induisant des excitations plasmoniques qui se propagent dans des conducteurs quantiques. Cela permet d'accéder à de nouveaux régimes dynamiques, où la dynamique interne du système peut être sondée, offrant des possibilités passionnantes pour étudier la cohérence et les interférences quantiques au niveau de l'électron unique.Cette thèse se concentre sur l'étude de la cohérence quantique des excitations plasmoniques ultra-courtes et des interférences quantiques au-delà de la limite adiabatique. Nos travaux ont abouti au développement et à l'optimisation d'un MZI électronique de 14 µm de longueur, basé sur une hétérostructure GaAs/AlGaAs. Ce processus, appuyé par des simulations électrostatiques réalistes et le développement de techniques avancées de nanofabrication, ouvre la voie à la réalisation de dispositifs quantiques plus complexes à l'avenir.Parallèlement, nous avons développé une source d'électrons à la demande, basée sur la génération d'impulsions de tension ultra-courtes via la synthèse de Fourier en utilisant un peigne de fréquence. Nous démontrons son application en réalisant des mesures résolues en temps des excitations plasmoniques avec des largeurs d'impulsions aussi courtes que 25 ps, mesurées directement in situ au niveau de l'échantillon dans des conditions cryogéniques. La polyvalence de notre source, combinée à sa stabilité et à la génération précise de formes d'onde quelconque, en fait un excellent outil pour les expériences d'optique quantique électronique.La caractérisation approfondie de notre MZI électronique en régime DC a démontré des oscillations cohérentes sur toute la longueur du dispositif, établissant une longueur de cohérence substantielle de 80 µm. Nous avons mis en évidence l'émergence d'une non-linéarité, induite par la dépendance en énergie du séparateur de faisceau électronique (beam splitter) au sein du MZI. Cette non-linéarité explique l'observation d'oscillations cohérentes dans la partie non-linéaire du courant, un comportement reproduit et compris grâce à nos simulations de transport quantique.Exploitant cette non-linéarité, nous avons étudié la réponse AC du MZI par rectification quantique. En utilisant des excitations sinusoïdales, nous démontrons l'entrée dans le régime dynamique à 1 GHz, sondant directement l'échelle de temps caractéristique du dispositif. Notamment, nous atteignons une cohérence quantique avec des impulsions aussi courtes que 30 ps et offrons des perspectives sur la cohérence en fonction de la largeur des impulsions.Nos résultats montrent que nous atteignons le régime de faible nombre d'électrons, soutenus par des simulations de transport quantique et des calculs basés sur la théorie de Floquet pour le transport dépendant du temps, qui corroborent nos observations expérimentales. Notre travail pose une base solide pour une multitude de nouvelles expériences à l'échelle de l'électron unique, telles que la mise en œuvre de protocoles de téléportation quantique pour des états d'électrons uniques et la génération à la demande d'intrication.
Contrôle électronique ultra-rapide de l'impulsion à températures cryogéniques Synchronisation ultra-rapide, mise en forme d’impulsions et commutation efficace sont au cœur des mesures précises. L’objectif de ce projet de thèse est d’apporter le contrôle électronique ultra-rapide aux circuits nanométriques refroidis à des températures de l’ordre du mK. L’opération quantique rapide rapprochera le domaine de l’optique électronique quantique de son homologue photonique avec des applications pour un contrôle électronique rapide et efficace des dispositifs quantiques. Les dispositifs expérimentaux développés au cours de ce projet de thèse sont décrits et testés de manière à esquisser également les possibilités d’intégration dans les technologies quantiques. Dans un premier temps, une impulsion de tension de forme lorentzienne Γ = (76 ± 2) ps est mesurée de manière résolue dans le domaine temporel à des températures cryogéniques. Ensuite, les dérives de phase et d’amplitude sont analysées et optimisé avec le spectre de bruit. Un nouveau dispositif de génération d’impulsions utilisant un générateur de peigne est ensuite décrit et testé. Enfin, un futur réalisation d’une expérience d’interférence quantique par manipulation et détection dans un conducteur quantique est décrite, de même que les défis posés pour les dispositives quantiques à basse température et ses interconnexions.
L'émergence de technologies quantiques est favorisée par les progrès dans la manipulation et le contrôle de qubits uniques. Ces technologies se construisent autour des principes fondamentaux de la physique quantique, que sont la superposition d'états, l'intrication et la mesure projective. Un réseau quantique reliant des qubits stationnaires via des canaux photoniques pourrait permettre de surpasser les protocoles de communication et de calcul classiques. Une interface entre des qubits matériels stationnaires et des qubits photoniques messagers serait alors indispensable pour faire circuler l'information quantique dans le réseau.Nous présentons ici le développement d'une interface à l'état solide, où un qubit de spin stationnaire, un électron ou un trou unique piégé dans une boîte quantique semi-conductrice, interagit avec un qubit photonique dans une cavité micropilier. L'interaction spin-photon se produit via la rotation Faraday induite sur la polarisation des photons réfléchis, et dépendante de l'état du spin. Une fois amplifié par la cavité, cet effet peut permettre de transférer la totalité de l'information depuis l'état du spin vers l'état de polarisation des photons, réalisant une interface spin-photon.Nous commençons par décrire la fabrication des dispositifs. Les propriétés de leur hétérostructure planaire déterminent, d'une part, la structure de bande, et donc la possibilité d'injecter électriquement ou optiquement une charge unique dans la boîte quantique. D'autre part, elles déterminent les spécificités optiques de la cavité, optimisée pour amplifier l'interaction spin-photon tout en extrayant une majeure partie des photons par le canal d'intérêt. Afin d'amplifier l'interaction lumière-matière, la technique de lithographie in-situ développée au C2N permet un couplage spatial et spectral de la cavité à la transition désirée de la boîte quantique.Les dispositifs ainsi réalisés sont dans un premier temps caractérisés par tomographie de polarisation, afin de reconstruire dans l'état stationnaire l'état de polarisation complet des photons réfléchis. Les rotations Faraday géantes déduites en font des candidats de choix pour une interface spin-photon. Nous estimons également l'intensité du bruit ainsi que les points de fonctionnement optimaux en termes d'énergie des photons incidents et de polarisations réfléchies associées aux états propres de spin.Ensuite, nous accédons à la dynamique des photons réfléchis grâce aux corrélations croisées mesurées dans des polarisations complémentaires, ce qui permet de remonter à la dynamique du spin avec lequel ils ont interagi. Les contributions des dynamiques de charge et de spin peuvent être isolées en fonction des polarisations mesurées, et les sources de bruits rapides et lents sont identifiées. L'ensemble de ces résultats expérimentaux est comparé aux prédictions théoriques via une simulation basée sur l'équation maîtresse, permettant de comprendre et caractériser les processus en jeu. Celle-ci reproduit une majorité des observations, et fournit une estimation de l'efficacité de l'interface spin-photon en quantifiant la projection de spin induite par la détection des photons.Les deux dispositifs étudiés révèlent les différences entre interfaces spin-photons basées sur un électron ou un trou et l'impact de l'hétérostructure qui les entoure. En effet, la faible sensibilité des trous aux fluctuations de spins nucléaires leur confère un temps de vie plus long que celui des électrons. Cependant, le choix d'une injection électrique des électrons dans la boîte quantique induit une meilleure stabilité que l'injection optique (choisie pour les trous) en les protégeant des bruits électriques lents. En parallèle, un régime radiatif transitoire rapide qui suit la projection de spin est susceptible de brouiller les dynamiques les plus rapides. Ceci oriente vers des dispositifs basés sur le spin d'un trou avec une injection électrique pour concrétiser des interfaces spin-photon idéales.