Mitigation du bruit pour le comptage de photon microonde unique La détection de photons uniques est depuis longtemps maîtrisée dans le domaine optique, mais demeure un défi aux fréquences microondes. Le développement de détecteurs de photons micro-ondes uniques ouvre de nouvelles perspectives, avec des applications allant de la recherche d’axions aux systèmes quantiques hybrides, jusqu’à l’informatique quantique supraconductrice. Ces dispositifs exploitent l’interaction entre photons itinérants et qubits supraconducteurs pour réaliser une mesure non destructive quantique de l’état du photon — une approche qui se distingue fondamentalement des détecteurs optiques traditionnels, de nature absorptive. Dans ce travail, nous développons un protocole de détection en cascade permettant de mesurer plusieurs fois l’état d’un photon, en distribuant l’information sur plusieurs qubits. Cette stratégie réduit significativement le bruit local intrinsèque, offrant une amélioration de deux ordres de grandeur de la sensibilité, tout en maintenant une efficacité élevée. Le détecteur que nous proposons repose sur la concaténation cohérente de deux processus de mélange à quatre ondes sur une même puce. Ce schéma garantit une dynamique cohérente quantique et permet d’ajuster dynamiquement la bande passante du détecteur — un atout essentiel pour des environnements soumis au bruit thermique. Nous démontrons une sensibilité intrinsèque de (8 ± 1) × 10−24 W/√Hz at 8.798 GHz, limitée uniquement par le bruit thermique du résonateur d’entrée. Enfin, nous discutons des limitations actuelles et illustrons des avancées récentes.
Mitigation du bruit pour le comptage de photon microonde unique La détection de photons uniques est depuis longtemps maîtrisée dans le domaine optique, mais demeure un défi aux fréquences microondes. Le développement de détecteurs de photons micro-ondes uniques ouvre de nouvelles perspectives, avec des applications allant de la recherche d’axions aux systèmes quantiques hybrides, jusqu’à l’informatique quantique supraconductrice. Ces dispositifs exploitent l’interaction entre photons itinérants et qubits supraconducteurs pour réaliser une mesure non destructive quantique de l’état du photon — une approche qui se distingue fondamentalement des détecteurs optiques traditionnels, de nature absorptive. Dans ce travail, nous développons un protocole de détection en cascade permettant de mesurer plusieurs fois l’état d’un photon, en distribuant l’information sur plusieurs qubits. Cette stratégie réduit significativement le bruit local intrinsèque, offrant une amélioration de deux ordres de grandeur de la sensibilité, tout en maintenant une efficacité élevée. Le détecteur que nous proposons repose sur la concaténation cohérente de deux processus de mélange à quatre ondes sur une même puce. Ce schéma garantit une dynamique cohérente quantique et permet d’ajuster dynamiquement la bande passante du détecteur — un atout essentiel pour des environnements soumis au bruit thermique. Nous démontrons une sensibilité intrinsèque de (8 ± 1) × 10−24 W/√Hz at 8.798 GHz, limitée uniquement par le bruit thermique du résonateur d’entrée. Enfin, nous discutons des limitations actuelles et illustrons des avancées récentes.
Les détecteurs de photons uniques aux fréquences visibles sont des outils essentiels dans de nombreux domaines de la technologie quantique, tels que la distribution de clés quantiques ou l'optique quantique. Cependant, la réalisation de détecteurs de photons uniques micro-ondes continus et hautement efficaces reste un défi. Dans cette thèse, nous proposons et mettons en œuvre un détecteur de photons micro-ondes basé sur une jonction tunnel supraconductrice couplée à une cavité micro-ondes. Les photons incidents à la fréquence du résonateur sont absorbés par la jonction via un effet tunnel inélastique de quasiparticules, ce qui entraîne un courant tunnel photo-assisté mesurable. Pour augmenter le taux d'effet tunnel inélastique, le résonateur est fabriqué en aluminium granulaire, ce qui conduit à une impédance caractéristique du mode de l'ordre du quantum de résistance. En mesurant le courant dû aux processus d'ordre supérieur, nous calibrons le détecteur et estimons l'efficacité quantique à 0,83, un ordre de grandeur plus élevé que celui rapporté dans la littérature pour les détecteurs basés sur l'effet tunnel photo-assisté. En plus du courant photo-assisté, la puissance émise par l'échantillon est mesurée, et il est démontré que le même dispositif peut être utilisé pour refroidir efficacement un circuit supraconducteur. Nous discutons de la compatibilité du détecteur de photons mis en œuvre avec les techniques de comptage de charge nécessaires pour discerner les électrons individuels, tels que les RF-SET. Nous réalisons un RF-SET à l'aide d'un résonateur granulaire en aluminium à haute impédance, et nous montrons une forte absorption de photons pour des tensions de polarisation et de grille appropriées. En outre, nous mesurons la sensibilité à la charge de ce dispositif à un niveau aussi bas que 5e-5 e/sqrt(Hz). Ainsi, les expériences de ce travail montrent que la combinaison d'un transistor radiofréquence à électron unique avec un convertisseur photon-électron à haute efficacité basé sur l'effet tunnel inélastique pourrait conduire à un compteur de photons micro-ondes unique pratique.
Un détecteur à haute inductance cinétique de photon micro-onde Les détecteurs de photons uniques aux fréquences visibles sont des outils essentiels dans de nombreux domaines de la technologie quantique, tels que la distribution de clés quantiques ou l'optique quantique. Cependant, la réalisation de détecteurs de photons uniques micro-ondes continus et hautement efficaces reste un défi. Dans cette thèse, nous proposons et mettons en œuvre un détecteur de photons micro-ondes basé sur une jonction tunnel supraconductrice couplée à une cavité micro-ondes. Les photons incidents à la fréquence du résonateur sont absorbés par la jonction via un effet tunnel inélastique de quasiparticules, ce qui entraîne un courant tunnel photo-assisté mesurable. Pour augmenter le taux d'effet tunnel inélastique, le résonateur est fabriqué en aluminium granulaire, ce qui conduit à une impédance caractéristique du mode de l'ordre du quantum de résistance. En mesurant le courant dû aux processus d'ordre supérieur, nous calibrons le détecteur et estimons l'efficacité quantique à 0,83, un ordre de grandeur plus élevé que celui rapporté dans la littérature pour les détecteurs basés sur l'effet tunnel photo-assisté. En plus du courant photo-assisté, la puissance émise par l'échantillon est mesurée, et il est démontré que le même dispositif peut être utilisé pour refroidir efficacement un circuit supraconducteur. Nous discutons de la compatibilité du détecteur de photons mis en œuvre avec les techniques de comptage de charge nécessaires pour discerner les électrons individuels, tels que les RF-SET. Nous réalisons un RF-SET à l'aide d'un résonateur granulaire en aluminium à haute impédance, et nous montrons une forte absorption de photons pour des tensions de polarisation et de grille appropriées. En outre, nous mesurons la sensibilité à la charge de ce dispositif à un niveau aussi bas que 5e-5 e/sqrt(Hz). Ainsi, les expériences de ce travail montrent que la combinaison d'un transistor radiofréquence à électron unique avec un convertisseur photon-électron à haute efficacité basé sur l'effet tunnel inélastique pourrait conduire à un compteur de photons micro-ondes unique pratique.
Les circuits supraconducteurs constituent aujourd’hui une architecture prometteuse vers la réalisation d’un ordinateur quantique universel. Cependant, avant qu’un tel ordinateur voie le jour, plusieurs défis doivent être surmontés autant au niveau matériel que logiciel. Les circuits supraconducteurs forment aussi une architecture intéressante pour la réalisation d’expériences fondamentales en optique quantique grâce aux jonctions Josephson qui permettent aux photons micro-ondes d’interagir directement entre eux. Dans cette thèse, j’ai abordé certains des grands défis du domaine des circuits supraconducteurs dans le contexte de l’informatique quantique et de l’optique quantique micro-onde. Je me suis tout d’abord intéressé à la détection de photons micro-ondes uniques (chapitre 3). Avec mes collaborateurs, nous avons ainsi proposé deux méthodes pour réaliser un détecteur de photons uniques à grande efficacité quantique. Une de ces méthodes se base sur un ensemble de qubits supraconducteurs (section 3.2), tandis que l’autre promet une large bande de détection en se basant sur un métamatériau unidimensionnel (section 3.3). La réalisation expérimentale de ces propositions permettrait d’ajouter une pièce importante dans la boîte à outils de l’optique quantique micro-onde. Je me suis ensuite penché sur la correction d’erreurs dans les qubits supraconducteurs (section 4). Plus précisément, j’ai développé un circuit expérimentalement compact permettant de mesurer les propriétés d’un ensemble de qubits, une opération essentielle pour les techniques de correction d’erreurs quantiques. Finalement, j’ai consacré une partie de mon doctorat à modéliser des expériences effectuées dans le groupe d’Andreas Wallraff à l’ETH Zürich (chapitre 5). Nous avons ainsi réalisé trois expériences basées sur un couplage variable de type Raman entre un qubit supraconducteur et un résonateur micro-onde. Dans la première expérience, nous avons réalisé le premier transfert d’état quantique déterministe entre deux qubits supraconducteurs distants (section 5.2). Nous avons ensuite amélioré cette expérience en utilisant un code de détection d’erreur pour transférer l’information quantique de manière plus robuste entre les deux qubits (section 5.3). Ces expériences représentent une étape importante vers la réalisation d’une architecture modulaire de l’ordinateur quantique. Finalement, nous avons développé une méthode pour rapidement initialiser des qubits supraconducteurs dans leur état fondamental (section 5.4), une opération essentielle de l’ordinateur quantique.
Spectroscopie du bruit de spin de spins uniques par la détection de photons uniques Les émetteurs quantiques capables de fonctionner à haute-fidélité et à haut débit sont la pierre angulaire des technologies quantiques photoniques, qui exigent une précision croissante dans la manipulation de qubits uniques. Les émetteurs capables d'héberger un spin sont particulièrement intéressants pour les réseaux de communication quantique et l'informatique quantique, car ils exploitent la ressource clé que constitue l'intrication spin-photon. Dans ce contexte, les boîtes quantiques (BQ) semiconductrices auto-assemblées sont devenues des candidats prometteurs pour les interfaces spin-photon en raison de leurs propriétés optiques exceptionnelles. Néanmoins, les temps de cohérence courts du spin limitent fortement le potentiel de cette plateforme. De meilleures stratégies pour atténuer les fluctuations de l'environnement et découpler le spin de celles-ci sont nécessaires pour améliorer ses performances. À cet égard, la spectroscopie du bruit de spin (SNS) est devenue une technique clé pour obtenir des informations sur l'environnement du spin dans les systèmes atomiques et à l'état solide via la mesure de signaux polarimétriques tels que la rotation de la polarisation de Faraday. Cependant, le faible signal d'un seul spin a limité la plupart des applications de la SNS aux ensembles de spins. Dans ce manuscrit, nous présentons une nouvelle technique SNS basée sur la mesure de spins uniques via la détection de photons uniques. Nous démontrons des mesures de bruit de spin dans le régime ultrarapide au-dessus du niveau des 10 GHz, dépassant les limites traditionnelles de bande passante avec une sensibilité sans précédent.Notre approche repose sur l'interaction spin-photon renforcée par la cavité, augmentant de plusieurs ordres de grandeur les signaux polarimétriques à partir d'un seul spin. Des rotations de polarisation, dépendantes du spin, des photons réfléchis par l'interface sont observées jusqu'à π, ce qui permet de cartographier les fluctuations de spin en fluctuations de polarisation et de détecter optiquement les mécanismes de bruit de spin. De manière cruciale, le signal SNS correspond aux photons uniques. Par conséquent, les corrélations peuvent être directement calculées entre les événements de détection de photons uniques, plutôt qu'extraites des mesures d'intensité moyenne, ce qui améliore considérablement la largeur de bande de détection. En fin de compte, la résolution temporelle n'est limitée que par la gigue temporelle des détecteurs de photons uniques.Dans ce manuscrit, nous présentons cette nouvelle approche SNS pour l'étude des mécanismes de bruit des spins d'électrons et de trous dans une BQ. Nous mesurons des signaux allant de quelques MHz à des dizaines de GHz corrélant des événements de détection de photons uniques. Parallèlement, nous développons les outils théoriques permettant d'identifier et de caractériser les principaux mécanismes de décohérence des spins dans ce système. Les fonctions de corrélation mesurées sont comparées à des simulations qui calculent la matrice de densité du système conditionnelle à la détection d'un photon. Les signaux SNS correspondent bien au modèle numérique, décrivant une dynamique de spin non triviale qui ne peut être reproduite par des ajustements phénoménologiques lorentziens des spectres de bruit de spin. En fin de compte, cette technique vise à sonder les mécanismes de bruit des systèmes de spin, non limités aux BQs, afin de développer des stratégies d'atténuation plus efficaces et des séquences de découplage qui améliorent leurs performances. Ce travail est également le point de départ d'études fondamentales portant sur la rétroaction quantique induite sur des spins uniques par la détection de photons.
Compteur de photons micro-ondes haute performance et application à la résonance magnétique de spins individuels Depuis plusieurs décennies, la détection de photons uniques dans les longueurs d'ondes optiques est réalisée de manière routinière dans nombre d'expériences. En revanche, le même type de détection dans les micro-ondes est une invention récente. Le schéma de détection est basé sur un mélange à quatre ondes, convertissant le photon à détecter et un photon de pompe en un autre photon plus l'excitation d'un bit quantique supraconducteur. L'excitation du bit quantique permet d'enregistrer l'évènement de conversion de fréquence, et donc d'effectivement détecter un photon micro-onde par lecture de l'état du bit quantique. L'objectif principal de cette thèse fut d'améliorer la sensibilité de ce détecteur en jouant sur deux paramètres : d'une part, l'amélioration de l'efficacité de détection, et d'autre part, la réduction des faux positifs d'origine thermique. L'efficacité de détection a été augmentée par diverses améliorations de la fabrication du détecteur ayant permis l'augmentation du temps de relaxation du bit quantique (autrement dit, de ralentir l'oubli de la détection). Quant à la réduction du bruit thermique, elle a été obtenue par filtrage par la bande passante du détecteur rendue réglable. Toutes ces améliorations ont permis d'atteindre une sensibilité de 3∙10 ⁻²³ W/√Hz. Cette sensibilité, trois fois meilleure que celle de la génération précédente, a été mise à profit dans des expériences de détection de spins dans des cristaux de tungstate de calcium. Dans ces expériences, les spins d'électrons d'ions erbium sous forme d'impuretés du cristal sont soumis à un champ magnétique provoquant une levée de dégénérescence Zeeman et sont couplés à un résonateur accélérant leur relaxation radiative dans les micro-ondes. Excités à l'aide d'impulsions micro-ondes qui leur sont envoyées par l'intermédiaire du même résonateur, les spins soumis à l'effet Zeeman y relaxent par émission de photons micro-ondes, à raison d'un photon pour chaque spin. La fréquence exacte de chacun de ces photons dépendant de l'environnement cristallin au voisinage direct des spins qui les ont émis, et le détecteur de photons micro-ondes étant en mesure de discriminer ces fréquences, ce montage permet effectivement la détection de spins électroniques individuels. Par ailleurs, chacun de ces spins électroniques étant sensible aux variations de son environnement magnétique, majoritairement constitué en l'occurrence de spins nucléaires de tungstène, de légères variations de la fréquence de ces spins électroniques peuvent être observées à l'aide du détecteur de photons micro-ondes uniques, cela revenant à connaître l'état de chacun de ces spins nucléaires. Cette détection indirecte de spins nucléaires a été rendue possible par la sensibilité accrue du détecteur, permettant de diviser le temps de détection par presque dix. Par ailleurs, divers travaux ont été menés afin de faire passer la fabrication de ce détecteur de la puce individuelle à la pleine plaque.
Les émetteurs quantiques capables de fonctionner à haute-fidélité et à haut débit sont la pierre angulaire des technologies quantiques photoniques, qui exigent une précision croissante dans la manipulation de qubits uniques. Les émetteurs capables d'héberger un spin sont particulièrement intéressants pour les réseaux de communication quantique et l'informatique quantique, car ils exploitent la ressource clé que constitue l'intrication spin-photon. Dans ce contexte, les boîtes quantiques (BQ) semiconductrices auto-assemblées sont devenues des candidats prometteurs pour les interfaces spin-photon en raison de leurs propriétés optiques exceptionnelles. Néanmoins, les temps de cohérence courts du spin limitent fortement le potentiel de cette plateforme. De meilleures stratégies pour atténuer les fluctuations de l'environnement et découpler le spin de celles-ci sont nécessaires pour améliorer ses performances. À cet égard, la spectroscopie du bruit de spin (SNS) est devenue une technique clé pour obtenir des informations sur l'environnement du spin dans les systèmes atomiques et à l'état solide via la mesure de signaux polarimétriques tels que la rotation de la polarisation de Faraday. Cependant, le faible signal d'un seul spin a limité la plupart des applications de la SNS aux ensembles de spins. Dans ce manuscrit, nous présentons une nouvelle technique SNS basée sur la mesure de spins uniques via la détection de photons uniques. Nous démontrons des mesures de bruit de spin dans le régime ultrarapide au-dessus du niveau des 10 GHz, dépassant les limites traditionnelles de bande passante avec une sensibilité sans précédent.Notre approche repose sur l'interaction spin-photon renforcée par la cavité, augmentant de plusieurs ordres de grandeur les signaux polarimétriques à partir d'un seul spin. Des rotations de polarisation, dépendantes du spin, des photons réfléchis par l'interface sont observées jusqu'à π, ce qui permet de cartographier les fluctuations de spin en fluctuations de polarisation et de détecter optiquement les mécanismes de bruit de spin. De manière cruciale, le signal SNS correspond aux photons uniques. Par conséquent, les corrélations peuvent être directement calculées entre les événements de détection de photons uniques, plutôt qu'extraites des mesures d'intensité moyenne, ce qui améliore considérablement la largeur de bande de détection. En fin de compte, la résolution temporelle n'est limitée que par la gigue temporelle des détecteurs de photons uniques.Dans ce manuscrit, nous présentons cette nouvelle approche SNS pour l'étude des mécanismes de bruit des spins d'électrons et de trous dans une BQ. Nous mesurons des signaux allant de quelques MHz à des dizaines de GHz corrélant des événements de détection de photons uniques. Parallèlement, nous développons les outils théoriques permettant d'identifier et de caractériser les principaux mécanismes de décohérence des spins dans ce système. Les fonctions de corrélation mesurées sont comparées à des simulations qui calculent la matrice de densité du système conditionnelle à la détection d'un photon. Les signaux SNS correspondent bien au modèle numérique, décrivant une dynamique de spin non triviale qui ne peut être reproduite par des ajustements phénoménologiques lorentziens des spectres de bruit de spin. En fin de compte, cette technique vise à sonder les mécanismes de bruit des systèmes de spin, non limités aux BQs, afin de développer des stratégies d'atténuation plus efficaces et des séquences de découplage qui améliorent leurs performances. Ce travail est également le point de départ d'études fondamentales portant sur la rétroaction quantique induite sur des spins uniques par la détection de photons.