Anharmonicité et contrôle en grille d'un circuit quantique supraconducteur à base de graphène La jonction Josephson à effet tunnel consiste en une fine barrière isolante insérée entre deux électrodes supraconductrices, où les paires de Cooper peuvent passer d'une électrode à l'autre avec une très faible probabilité de transmission. Cet élément sert de source commune et nécessaire de non-linéarité dans les circuits quantiques supraconducteurs, permettant la mise en œuvre de bits quantiques supraconducteurs (qubit) et de circuits amplificateurs supraconducteurs : deux éléments constitutifs de l'informatique quantique. La fabrication de ces jonctions ne permet aucun contrôle in-situ, leur comportement étant fixé par leur géométrie. Il est courant d'intégrer au moins deux jonctions dans une boucle supraconductrice pour former un dispositif d'interférence quantique supraconducteur (SQUID), dont la phase de la fonction d'onde macroscopique supraconductrice peut être modifiée par l'application d'un champ magnétique externe. Cela permet de récupérer un certain contrôle sur un degré de liberté quantique, en accordant l'énergie du SQUID en fonction de la phase. L'intégration d'un SQUID dans un qubit supraconducteur permet finalement d'accorder sa fréquence de transition. Au cours de la dernière décennie, de nouvelles architectures de circuits quantiques supraconducteurs sont apparues, où la jonction Josephson tunnel standard est remplacée par une jonction supraconducteur-normal-supraconducteur (SNS). Cette jonction bénéficie des propriétés normales du matériau, qui peut être un semi-conducteur ou un semi-métal, et dont la densité d'états peut être contrôlée par l'application d'un champ électrique externe. Par conséquent, l'énergie d'une seule jonction peut être réglée sans dépendre d'un champ magnétique, une solution qui peut se heurter à des problèmes d'extensibilité. Actuellement, des qubits supraconducteurs avec un nanofil d'InAs, un gaz électronique 2D (2DEG) et du graphène (avec des temps de cohérence faibles) ont été démontrés.Dans cette thèse, nous étudions l'utilisation du graphène, un semi-métal de van der Waals 2D encapsulé dans du h-BN (pour le protéger de son environnement), en tant que jonction SNS accordable par une grille. La jonction Josephson en graphène est intégrée dans un qubit supraconducteur, où l'énergie de Fermi du graphène est contrôlée par l'utilisation d'une électrode de grille, sur laquelle une tension est appliquée. La grille a deux effets : elle modifie le nombre de canaux de conduction à l'intérieur du graphène, ainsi que leurs probabilités de transmission (ou transparences). Le temps de relaxation est mesuré entre 300 et 800 ns, soit un ordre de grandeur supérieur à l'état de l'art actuel en matière de qubits basés sur le graphène. Nous mesurons un grand contrôle de la fréquence de transition du qubit (plusieurs GHz). Surprenament, l'anharmonicité dépend fortement de la tension de grille avec de grandes oscillations dans le régime dopé p du graphène. Basée sur un modèle analytique de contact quantique supraconducteur, que nous avons résolu numériquement, notre analyse suggère que d'importantes fluctuations mésoscopiques de transparence se produisent dans nos dispositifs, avec des valeurs allant de 0,2 à 1, une indication d'une jonction Josephson en graphène de haute qualité. Le modèle, valable pour n'importe quel régime, démontre l'effet important de la transparence sur le spectre du qubit. La dispersion de charge (c'est-à-dire la sensibilité du qubit au bruit de charge) diminue également avec l'énergie Josephson, mais aussi avec la transparence. En particulier, en cas de transparence parfaite, la dispersion de charge devrait totalement disparaître, ce qui est hautement souhaitable pour des qubits plus résistants au bruit de charge. Nous démontrons que la dispersion de charge est effectivement plus petite que celle attendue pour un qubit supraconducteur basé sur une jonction tunnel fonctionnant dans le même régime, jusqu'à un facteur 2, avec une transparence déduite allant de 0,6 à 0,8.
Anharmonicité et contrôle en grille d'un circuit quantique supraconducteur à base de graphène La jonction Josephson à effet tunnel consiste en une fine barrière isolante insérée entre deux électrodes supraconductrices, où les paires de Cooper peuvent passer d'une électrode à l'autre avec une très faible probabilité de transmission. Cet élément sert de source commune et nécessaire de non-linéarité dans les circuits quantiques supraconducteurs, permettant la mise en œuvre de bits quantiques supraconducteurs (qubit) et de circuits amplificateurs supraconducteurs : deux éléments constitutifs de l'informatique quantique. La fabrication de ces jonctions ne permet aucun contrôle in-situ, leur comportement étant fixé par leur géométrie. Il est courant d'intégrer au moins deux jonctions dans une boucle supraconductrice pour former un dispositif d'interférence quantique supraconducteur (SQUID), dont la phase de la fonction d'onde macroscopique supraconductrice peut être modifiée par l'application d'un champ magnétique externe. Cela permet de récupérer un certain contrôle sur un degré de liberté quantique, en accordant l'énergie du SQUID en fonction de la phase. L'intégration d'un SQUID dans un qubit supraconducteur permet finalement d'accorder sa fréquence de transition. Au cours de la dernière décennie, de nouvelles architectures de circuits quantiques supraconducteurs sont apparues, où la jonction Josephson tunnel standard est remplacée par une jonction supraconducteur-normal-supraconducteur (SNS). Cette jonction bénéficie des propriétés normales du matériau, qui peut être un semi-conducteur ou un semi-métal, et dont la densité d'états peut être contrôlée par l'application d'un champ électrique externe. Par conséquent, l'énergie d'une seule jonction peut être réglée sans dépendre d'un champ magnétique, une solution qui peut se heurter à des problèmes d'extensibilité. Actuellement, des qubits supraconducteurs avec un nanofil d'InAs, un gaz électronique 2D (2DEG) et du graphène (avec des temps de cohérence faibles) ont été démontrés.Dans cette thèse, nous étudions l'utilisation du graphène, un semi-métal de van der Waals 2D encapsulé dans du h-BN (pour le protéger de son environnement), en tant que jonction SNS accordable par une grille. La jonction Josephson en graphène est intégrée dans un qubit supraconducteur, où l'énergie de Fermi du graphène est contrôlée par l'utilisation d'une électrode de grille, sur laquelle une tension est appliquée. La grille a deux effets : elle modifie le nombre de canaux de conduction à l'intérieur du graphène, ainsi que leurs probabilités de transmission (ou transparences). Le temps de relaxation est mesuré entre 300 et 800 ns, soit un ordre de grandeur supérieur à l'état de l'art actuel en matière de qubits basés sur le graphène. Nous mesurons un grand contrôle de la fréquence de transition du qubit (plusieurs GHz). Surprenament, l'anharmonicité dépend fortement de la tension de grille avec de grandes oscillations dans le régime dopé p du graphène. Basée sur un modèle analytique de contact quantique supraconducteur, que nous avons résolu numériquement, notre analyse suggère que d'importantes fluctuations mésoscopiques de transparence se produisent dans nos dispositifs, avec des valeurs allant de 0,2 à 1, une indication d'une jonction Josephson en graphène de haute qualité. Le modèle, valable pour n'importe quel régime, démontre l'effet important de la transparence sur le spectre du qubit. La dispersion de charge (c'est-à-dire la sensibilité du qubit au bruit de charge) diminue également avec l'énergie Josephson, mais aussi avec la transparence. En particulier, en cas de transparence parfaite, la dispersion de charge devrait totalement disparaître, ce qui est hautement souhaitable pour des qubits plus résistants au bruit de charge. Nous démontrons que la dispersion de charge est effectivement plus petite que celle attendue pour un qubit supraconducteur basé sur une jonction tunnel fonctionnant dans le même régime, jusqu'à un facteur 2, avec une transparence déduite allant de 0,6 à 0,8.
La jonction Josephson à effet tunnel consiste en une fine barrière isolante insérée entre deux électrodes supraconductrices, où les paires de Cooper peuvent passer d'une électrode à l'autre avec une très faible probabilité de transmission. Cet élément sert de source commune et nécessaire de non-linéarité dans les circuits quantiques supraconducteurs, permettant la mise en œuvre de bits quantiques supraconducteurs (qubit) et de circuits amplificateurs supraconducteurs : deux éléments constitutifs de l'informatique quantique. La fabrication de ces jonctions ne permet aucun contrôle in-situ, leur comportement étant fixé par leur géométrie. Il est courant d'intégrer au moins deux jonctions dans une boucle supraconductrice pour former un dispositif d'interférence quantique supraconducteur (SQUID), dont la phase de la fonction d'onde macroscopique supraconductrice peut être modifiée par l'application d'un champ magnétique externe. Cela permet de récupérer un certain contrôle sur un degré de liberté quantique, en accordant l'énergie du SQUID en fonction de la phase. L'intégration d'un SQUID dans un qubit supraconducteur permet finalement d'accorder sa fréquence de transition. Au cours de la dernière décennie, de nouvelles architectures de circuits quantiques supraconducteurs sont apparues, où la jonction Josephson tunnel standard est remplacée par une jonction supraconducteur-normal-supraconducteur (SNS). Cette jonction bénéficie des propriétés normales du matériau, qui peut être un semi-conducteur ou un semi-métal, et dont la densité d'états peut être contrôlée par l'application d'un champ électrique externe. Par conséquent, l'énergie d'une seule jonction peut être réglée sans dépendre d'un champ magnétique, une solution qui peut se heurter à des problèmes d'extensibilité. Actuellement, des qubits supraconducteurs avec un nanofil d'InAs, un gaz électronique 2D (2DEG) et du graphène (avec des temps de cohérence faibles) ont été démontrés.Dans cette thèse, nous étudions l'utilisation du graphène, un semi-métal de van der Waals 2D encapsulé dans du h-BN (pour le protéger de son environnement), en tant que jonction SNS accordable par une grille. La jonction Josephson en graphène est intégrée dans un qubit supraconducteur, où l'énergie de Fermi du graphène est contrôlée par l'utilisation d'une électrode de grille, sur laquelle une tension est appliquée. La grille a deux effets : elle modifie le nombre de canaux de conduction à l'intérieur du graphène, ainsi que leurs probabilités de transmission (ou transparences). Le temps de relaxation est mesuré entre 300 et 800 ns, soit un ordre de grandeur supérieur à l'état de l'art actuel en matière de qubits basés sur le graphène. Nous mesurons un grand contrôle de la fréquence de transition du qubit (plusieurs GHz). Surprenament, l'anharmonicité dépend fortement de la tension de grille avec de grandes oscillations dans le régime dopé p du graphène. Basée sur un modèle analytique de contact quantique supraconducteur, que nous avons résolu numériquement, notre analyse suggère que d'importantes fluctuations mésoscopiques de transparence se produisent dans nos dispositifs, avec des valeurs allant de 0,2 à 1, une indication d'une jonction Josephson en graphène de haute qualité. Le modèle, valable pour n'importe quel régime, démontre l'effet important de la transparence sur le spectre du qubit. La dispersion de charge (c'est-à-dire la sensibilité du qubit au bruit de charge) diminue également avec l'énergie Josephson, mais aussi avec la transparence. En particulier, en cas de transparence parfaite, la dispersion de charge devrait totalement disparaître, ce qui est hautement souhaitable pour des qubits plus résistants au bruit de charge. Nous démontrons que la dispersion de charge est effectivement plus petite que celle attendue pour un qubit supraconducteur basé sur une jonction tunnel fonctionnant dans le même régime, jusqu'à un facteur 2, avec une transparence déduite allant de 0,6 à 0,8.
Circuits quantiques supraconducteurs à base de graphène : l'amplificateur paramétrique Josephson Les circuits quantiques supraconducteurs, comprenant un large éventail d’éléments, ont contribué à des avancées majeures dans le domaine de l’optique quantique micro-onde. Parmi ces éléments, les amplificateurs paramétriques atteignant la limite quantique ont démontré leur importance dans la mesure de systèmes quantiques dont l’énergie est intrinsèquement basse (dizaines d’µeV). Ils peuvent aussi servir à créer des états non-classiques de lumière qui peuvent être utilisés pour créer des détecteurs innovants. Les amplificateurs paramétriques supraconducteurs, tout comme les qubits, utilisent la plupart du temps une jonction Josephson comme source de nonlinéarité non dissipative et contrôlable en champ magnétique. Le contrôle en champ magnétique n’est pas la norme dans l’industrie et commence déjà à être un problème dans les circuits comprenant beaucoup d’éléments. Ces dernières années, un concept alternatif a émergé avec l’utilisation de jonctions Josephson faites à base de semiconducteurs afin d’avoir un contrôle électrique de la nonlinéarité, notamment avec la démonstration de résonateurs micro-ondes et de qubits utilisant des nanofils semiconducteurs, un gaz d’électrons 2D, des nanotubes de carbone ainsi que du graphène. Cependant, les amplificateurs paramétriques n’ont pas encore été réalisés en utilisant une jonction semiconductrice. Le travail présenté dans ce manuscrit de thèse de doctorat montre la conception, la fabrication et les performances d’un amplificateur paramétrique utilisant une jonction Josephson à base de graphène.Le graphène est encapsulé entre deux couches de hBN afin d’augmenter sa qualité. En utilisant une telle jonction, nous réalisons une amplification avec un gain de 20 dB qui est un jalon important pour que le bruit ajouté par les amplificateurs classiques du reste de la chaine d’amplification soit négligeable. L’amplificateur paramétrique étant construit à partir d’une structure résonante (autour de 6 GHz), il ne peut qu’amplifier une bande de fréquence réduite de l’ordre de quelques Mégahertz. L’utilisation d’une grille latérale permet de contrôler le graphène électriquement modifiant l’inductance de la jonction Josephson et ainsi la fréquence de résonance de l’amplificateur. Nous démontrons la possibilité d’ajuster la fréquence d’amplification sur un intervalle de l’ordre d’un Gigahertz grâce à cette grille latérale, ce qui est comparable en terme d’ajustabilité à l’utilisation d’un SQUID contrôlé en champ magnétique pour un circuit similaire. Par ailleurs, il a été montré que le graphène possède des pertes nonlinéaires lorsqu’il est exposé à un champ micro-onde important à cause d’excitations / désexcitation d’états d’Andreev. La dissipation est synonyme d’une augmentation du bruit intrinsèque ajouté par les amplificateurs paramétriques et peut donc être un problème pour atteindre la limite quantique. Nous démontrons que malgré la présence de pertes nonlinéaires, l’amplificateur paramétrique à base de graphène se rapproche de la limite quantique. Un modèle de pertes à deux photons est utilisé pour décrire le comportement du dispositif mais nous démontrons qu’un modèle plus complet est nécessaire afin de prendre en compte la nature complexe de la dissipation ainsi que la relation courant phase non sinusoïdale. Nous avons également étudié la plage dynamique et montrons que l’amplificateur paramétrique à base de graphene peut atteindre un point de compression à 1dB de -123 dBm, ce qui comparable à ce qui peut être obtenu avec une jonction tunnel unique. Nos résultats élargissent l’ensemble des éléments existant pour le contrôle électrique des circuits quantiques supraconducteurs et offrent de nouvelles opportunités pour le développement de technologies quantiques comme l’informatique quantique, la détection quantique ainsi que la science fondamentale.
Ce mémoire présente ma contribution à l'avènement des circuits supraconducteurs comme composant de base des systèmes d'information quantique. Les variables macroscopiques des circuits électriques, telles que la tension et le courant, obéissent aux lois de la mécanique quantique tant qu'elles sont suffisamment découplées de leur environnement. Depuis que les premiers qubits supraconducteurs ont été réalisés il y a 15 ans, leurs temps de cohérence ont augmenté de 5 ordres de grandeur grâce à un meilleur contrôle de l'environnement électromagnétique des jonctions Josephson. Sur ces systèmes remarquables, nous avons réalisé des expériences qui illustrent quelques uns des aspects les plus non classiques de l'information quantique. - Les variables quantiques fluctuent même à température nulle. Ces fluctuations de point zéro imposent à un détecteur d'ajouter au moins un minimum de bruit. Nous explorons les limites quantiques de l'amplification pour des signaux microonde itinérants, et décrivons un circuit supraconducteur concret, le mixeur Josephson, capable d'atteindre cette limite. - Contrairement à l'information classique, l'information quantique peut être stockée de manière délocalisée dans l'espace grâce à l'intrication. Nous décrivons le premier circuit capable d'intriquer deux modes de champ microonde itinérants à différentes fréquences et sur des lignes de transmission séparées. Nous présentons aussi un dispositif capable de stocker un champ microonde intriqué avec un champ propageant. - La mesure d'un système quantique conduit à une réaction sur son état sans équivalent classique. Nous présentons une expérience où la trajectoire de l'état qubit est protégée de la décohérence par rétroaction basée sur la mesure. Cette expérience illustre le rôle central de la réaction d'une mesure quantique pour le contrôle par rétroaction et donc pour la correction quantique d'erreur. - Les mesures faibles fournissent une information partielle sur un système. Comme les mesures quantiques modifient l'état du système, les règles classiques de Bayes doivent être modifiées pour prédire la probabilité de trouver un résultat donné sachant qu'un certain résultat sera trouvé dans une autre mesure future. Nous décrivons une expérience où la fluorescence émise par un qubit est enregistrée dans le temps, ce qui peut être interprété comme une mesure faible et continue du qubit. L'influence de conditions sur les mesures passées et futures est explorée.
Les qubits supraconducteurs de type gatemon sont basés sur des conducteurs quantiques utilisés comme liens faibles dans des jonctions Josephson hybrides. Dans ces systèmes, le supercourant Josephson est transporté par des états liés d'Andreev dont l'accordabilité en grille permet de contrôler la fréquence du qubit. Des travaux antérieurs ont montré des mesures cohérentes dans de tels qubits gatemon avec des jonctions à base de nanofils semiconducteurs ou de graphène. Cette thèse présente la réalisation d’un qubit gatemon utilisant un nanotube de carbone ultrapropre, un conducteur intrinsèquement unidimensionnel, connecté a des électrodes supraconductrices en niobium. Le qubit est couplé à un résonateur microonde, ce qui forme un architecture cQED hybride. Le spectre du qubit mesuré en fonction de la grille présente des caractéristiques claires associées à la transition de parité de charge des états liés d'Andreev fermioniques qui sont au cœur de l'effet Josephson dans le nanotube de carbone. En outre, nous démontrons un contrôle cohérent de ce qubit gatemon avec des temps de cohérence allant jusqu'à 200ns. Notre étude montre que le temps de cohérence dépend fortement de la grille et nous identifions le bruit de charge comme un facteur limitant. Ces travaux ouvrent la voie à la manipulation cohérente de qubits fermioniques supraconducteurs dans des nanotubes de carbone.
Contrôle du contenu harmonique de la relation courant-phase dans des éléments Josephson à base de germanium Les dispositifs hybrides supraconducteur (S)-semi-conducteur (Sm) apportent de nouvelles fonctionnalités aux circuits supraconducteurs en introduisant des transistors à effet de champ Josephson (JoFET) : des jonctions Josephson avec un courant critique modulable par une grille. En particulier, des qubits hybrides protégé par parité et des diodes Josephson ont récemment été proposés et démontrés expérimentalement. Ces dispositifs tirent parti de la multi-harmonicité de la relation courant-phase (CPR) des jonctions S-Sm-S hautement transparentes, une propriété jusqu’ici sous-exploitée. Dans ce travail, nous rapportons une étude expérimentale de dispositifs d’interférence quantique supraconducteurs (SQUIDs)intégrant des JoFETs fabriqués à partir d’une hétérostructure SiGe/Ge/SiGe, développée au CEA-Grenoble. Les CPRs des jonctions individuelles montrent plusieurs harmoniques avec des amplitudes modulables par grille. En présence d’irradiation micro-onde, l’apparition de marches de Shapiro entières et demientières confirme cette observation. Une combinaison de contrôle par flux magnétique et tension de grille permet de moduler le comportement du SQUID d’un régime de diode Josephson non réciproque avec une asymétrie de 27 % à un régime Josephson π-périodique. Dans un dispositif à double SQUID, nous parvenons à caractériser quantitativement un régime où la composante sin(2φ) représente plus de 95 % du supercourant total. Enfin, ce résultat est mis en perspective par la discussion de l’implementation d’un qubit supraconducteur cos(2φ) protégé par parité basé sur cette plateforme hybride Al-Ge/SiGe.
Nanostructures hybrides Supraconducteur / Semiconducteur à bases de Germanium pour l'information quantique Le qubit supraconducteur basé sur des circuits supraconducteurs se compose d'un condensateur supraconducteur et d'une jonction Josephson avec la géométrie transmon est largement utilisé dans les processeurs quantiques avancés, à la recherche d'une informatique quantique évolutive. L'accord de la fréquence du qubit du transmon repose sur l'interférence, en fonction du flux magnétique, entre les supercourants de deux jonctions Josephson S-I-S dans une boucle supraconductrice. Les jonctions Josephson basées sur des matériaux S-Sm-S ouvrent une possibilité alternative au transmon accordable par la porte, appelée "gatemon", dans laquelle la fréquence du qubit peut être accordée par une moyenne électrostatique. Les réalisations récentes de gatemons sur des plates-formes de matériaux III-V montrent un développement impressionnant de l'alternative au transmon, mais laissent encore une grande question sur l'extensibilité. L'hétérostructure SiGe est l'une des plateformes potentielles pour accueillir des dispositifs hybrides en raison de sa grande mobilité des trous et de la faible barrière de Schottky à l'interface Ge-métal. En outre, la compatibilité avec l'industrie des semi-conducteurs à base de silicium est un avantage certain pour la plateforme de qubits à grande échelle.Dans cette thèse, nous développons des gatemons basés sur la jonction Josephson Al-Ge-Al dans l'hétérostructure SiGe. Tout d'abord, nous établissons une recette de fabrication robuste, basée sur une approche descendante, pour les transistors à effet de champ Josephson (JoFET). Nous effectuons des mesures exhaustives sur les JoFET afin d'étudier leurs propriétés en fonction de la tension de grille, de la température et du champ magnétique. Les dispositifs présentent une adaptabilité à la grille du courant critique et de la résistance à l'état normal . On estime que les dispositifs ont une interface S-Sm transparente, comme le montre le produit élevé. Dans le régime de tension finie, les caractéristiques correspondant aux réflexions multiples d'Andreev sont observées. Ensuite, nous fabriquons et caractérisons des résonateurs supraconducteurs en NbN sur une hétérostructure SiGe. Nous mesurons les résonateurs en mode transmission et extrayons la fréquence de résonance, le facteur de qualité interne, et le facteur de qualité de couplage du coefficient de transmission. Ensuite, nous développons le processus de fabrication pour intégrer des gatemons, dans le schéma du résonateur et effectuons la fabrication conformément à la conception. Nous démontrons la caractéristique d'anticroisement dans l'un des gatemons fabriqués. La fréquence de résonance du gatemon est cartographiée à l'aide de la technique de spectroscopie à deux tons et il s'avère qu'elle peut être réglée par la porte. Le qubit a une grande largeur de ligne spectrale, ce qui implique un faible temps de cohérence. En outre, nous mesurons la relation courant-phase (CPR) sur les jonctions dans la géométrie du SQUID. Nous pouvons démontrer que les jonctions présentent une CPR non sinusoïdale. En outre, les pas de Shapiro entiers et demi-entiers sont observés dans les courbes caractéristiques courant-tension des jonctions irradiées. Cela indique que nos jonctions ont l'élément , ce qui peut ouvrir une autre possibilité vers des qubits protégés.