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.
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.
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.
Dans cette thèse, nous étudions des circuits de boîtes quantiques à base de nanotubes de carbone intégrés dans une cavité micro-onde. Cette architecture générale permet de sonder le circuit en utilisant simultanément des mesures de transport et des techniques propre au domaine de l’Electrodynamique quantique sur circuit. Les deux expériences réalisées durant cette thèse exploitent la capacité des métaux de contact à induire des corrélations de spins dans les boites quantiques. La première expérience est l’étude d’une lame s´séparatrice à paires de Cooper, initialement imaginée comme une source d’électrons intriqués. Le couplage du circuit aux photons dans la cavité permet de sonder la dynamique interne du circuit, et a permis d’observer des transitions de charge habillées par le processus de séparation des paires de Cooper. Le couplage fort entre une transition de charge dans un circuit de boîtes quantiques et des photons en cavité, a été observée pour la première fois dans ce circuit. Une nouvelle technique de fabrication a aussi été développé pour intégrer un nanotube de carbone cristallin au sein du circuit de boîtes quantiques. La pureté et l’accordabilité de cette nouvelle génération de circuit a rendu possible la seconde expérience. Cette dernière utilise deux vannes de spins non colinéaire afin de produire une interface cohérente entre le spin d’un électron dans une double boite quantique, et un photon dans une cavité. Des transitions de spins très cohérentes ont été observée, et nous donnons un modèle sur l’origine de la décohérence du spin comprenant le bruit en charge et les fluctuations des spins nucléaires.
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.
Façonnage du spectre de boîtes quantiques à base de nanotubes de carbones avec la supraconductivité et le ferromagnétisme pour l'électrodynamique quantique mésoscopique Dans cette thèse, nous étudions des circuits de boîtes quantiques à base de nanotubes de carbone intégrés dans une cavité micro-onde. Cette architecture générale permet de sonder le circuit en utilisant simultanément des mesures de transport et des techniques propre au domaine de l’Electrodynamique quantique sur circuit. Les deux expériences réalisées durant cette thèse exploitent la capacité des métaux de contact à induire des corrélations de spins dans les boites quantiques. La première expérience est l’étude d’une lame s´séparatrice à paires de Cooper, initialement imaginée comme une source d’électrons intriqués. Le couplage du circuit aux photons dans la cavité permet de sonder la dynamique interne du circuit, et a permis d’observer des transitions de charge habillées par le processus de séparation des paires de Cooper. Le couplage fort entre une transition de charge dans un circuit de boîtes quantiques et des photons en cavité, a été observée pour la première fois dans ce circuit. Une nouvelle technique de fabrication a aussi été développé pour intégrer un nanotube de carbone cristallin au sein du circuit de boîtes quantiques. La pureté et l’accordabilité de cette nouvelle génération de circuit a rendu possible la seconde expérience. Cette dernière utilise deux vannes de spins non colinéaire afin de produire une interface cohérente entre le spin d’un électron dans une double boite quantique, et un photon dans une cavité. Des transitions de spins très cohérentes ont été observée, et nous donnons un modèle sur l’origine de la décohérence du spin comprenant le bruit en charge et les fluctuations des spins nucléaires.
Optimisation de la distribution de champ magnétique le long d'un nanotube de carbone suspendu pour améliorer l’adressabilité de qubits de spin Dans cette thèse, nous étudions l'utilisation d'un micro-aimant intégré sur puce pour contrôler le profil de champ magnétique le long d'un nanotube de carbone, en vue d'applications de qubits de spin. Le nanotube sert de conducteur cohérent dans lequel un électron unique est confiné dans un double point quantique défini par des électrodes, en façonnant le potentiel électrostatique le long du tube. L'information quantique est encodée dans l'état de spin de l'électron, qui constitue le qubit. Le circuit de points quantiques est inséré dans une architecture d'électrodynamique quantique en circuit (cQED) permettant la manipulation, la lecture et le couplage longue distance de qubits. Le couplage du qubit de spin aux photons d'un résonateur micro-ondes est assuré par une hybridation spin-charge obtenue en contrôlant le profil de champ le long du nanotube : l'électron du double puits ressent des axes de quantification du spin différents dans les deux points. Ici, le contrôle du champ magnétique est mis en œuvre en intégrant un micro-aimant au circuit de points quantiques. Des géométries optimales de gradients de champ sur puce sont identifiées par simulations numériques afin de maximiser la différence de champ magnétique entre les deux points quantiques. Nous réalisons des caractérisations magnétiques de couches minces ainsi qu'une détection locale du champ produit par le micro-aimant, au moyen de magnétométrie à centres NV. Les données expérimentales sont confrontées à des simulations micromagnétiques pour prédire le champ magnétique généré par le micro-aimant sous différents champs magnétiques externes et à diverses positions, et ainsi estimer les performances du qubit de spin. Pour renforcer encore le couplage spin-photon, l'architecture de qubit de spin est intégrée à un circuit micro-ondes en nitrure de niobium (NbN), supraconducteur à forte inductance cinétique et résistant aux champs magnétiques. La conception et la caractérisation d'un résonateur à haute impédance sont détaillées. Enfin, nous démontrons l'intégration sur puce du circuit de double point quantique en nanotube de carbone, du micro-aimant et du circuit micro-ondes en NbN.
Transport cohérent des spins d’électrons dans des boîtes quantiques couplées De récentes avancées technologiques laissent entrevoir le potentiel des spins électroniques uniques comme supports pour le stockage et la manipulation de l'information. En raison de leur nature quantique, les spins électroniques contrôlé à l’échelle de l’électron unique peuvent non seulement être utilisés pour stocker l'information classique, mais pourraient également être mis en œuvre pour réaliser des qubits dans un ordinateur quantique. Dans un tel dispositif, les superpositions de différents états de spin peuvent être utilisées pour calculer plus efficacement que les ordinateurs classiques.Une mise en œuvre prometteuse d'un tel système est un électron piégé dans une boite quantique latérale. Ce dispositif nanométrique défini dans des structures semiconductrices permet d'isoler et de manipuler le spin d’un électron de façon cohérente avec des potentiels électrostatiques. Dans cette thèse, nous manipulons les électrons dans des boites quantiques dans un régime dit « isolé». La manipulation de charges électroniques individuelles en plusieurs boites quantiques connectées entre elles apparaît alors être simplifiée. Cette manipulation de spin se fait grâce à l’échange cohérent d’un quantum de spin entre deux électrons piégés. Le contrôle du couplage tunnel entre ces deux boites quantiques rend cet échange contrôlé. De cette façon, la manipulation de spin peut se faire à un "sweet spot", un point insensible au bruit de charge, permettant ainsi d'obtenir des oscillations de spin de haute qualité.Le contrôle précis de la charge dans le régime isolé est ensuite utilisé pour contrôler le déplacement d’un électron dans un système circulaire de trois boites quantiques qui sont fortement couplées par effet tunnel. Ainsi la cohérence d'une superposition de deux spins électroniques déplacée le long d’une boucle fermée a été étudiée. Nos mesures montrent le transport cohérent de spins électroniques uniques sur des distances allant jusqu'à 5 μm. Pendant le transfert, le temps de cohérence se révèle être considérablement augmenté. Nous avons identifié le mécanisme sous-jacent à cette amélioration comme provenant d’un rétrécissement, lors du mouvement, des gradients de champ nucléaires générées par l'environnement cristallin. Les sources de décohérence sont discutées et permettent d’obtenir de nouvelles connaissances sur la dynamique interne du processus de transfert entre des boites quantiques couplées. Nos résultats sur le transport cohérent d'électrons peuvent être utilisés pour évaluer les possibilités d’intégration à grande échelle de qubits de spin dans des réseaux de boites quantiques à deux dimensions.