Conception d'interactions fortes entre circuits micro-ondes supraconducteurs et modes acoustiques dans le LiNbO3 piézoélectrique Les ondes acoustiques constituent des excitations polyvalentes, capables de s’hybrider avec une grande variété de systèmes physiques. Elles interagissent avec les champs optiques en optomécanique, avec les défauts de spin par l’intermédiaire de la déformation mécanique, et avec les circuits supraconducteurs via des mécanismes capacitifs ou piézoélectriques. Cette versatilité a motivé leur intégration dans des systèmes quantiques hybrides, notamment pour la transduction quantique, le contrôle de qubits et la métrologie de précision. Ce travail se concentre sur l’optimisation du couplage micro-ondes-acoustique entre des circuits supraconducteurs et les modes de Lamb dans des films minces suspendus de niobate de lithium (LiNbO₃), en exploitant la forte piézoélectricité de ce matériau pour concevoir des interactions robustes.La première partie aborde la transduction linéaire. Les transducteurs à ondes interdigitées (IDT) nécessitent une adaptation d’impédance pour fonctionner efficacement, ce qui implique généralement un compromis entre efficacité et bande passante. Bien qu’une conception optimale puisse être identifiée théoriquement, sa réalisation reste délicate avec les techniques classiques de l’ingénierie micro-ondes. Nous proposons ici une solution fondée sur des réseaux de SQUID à haute impédance, agissant comme des inductances linéaires et accordables, pour réaliser la transformation d’impédance requise. Cette approche permet de concevoir des transducteurs opérant près de la limite efficacité-bande passante imposée par le couplage piézoélectrique du LiNbO₃. La stratégie est appliquée à différents dispositifs : des IDT bidirectionnels classiques, des IDT unidirectionnels où des miroirs acoustiques récupèrent les ondes émises vers l’arrière, et des IDT monomodes dont le confinement transverse additionnel induit une propagation quasi unidimensionnelle. Parmi ceux-ci, les IDT unidirectionnels atteignent un couplage sans précédent, avec des produits efficacité-bande passante de l’ordre de 440 MHz et des rendements crêtes de 62 %. L’accordabilité par flux des SQUID permet en outre de réaliser des coupleurs reconfigurables entre circuits micro-ondes et résonateurs à ondes de Lamb.La seconde partie explore le régime non linéaire, où des qubits transmon sont couplés à des résonateurs acoustiques. Contrairement aux résonateurs à haut facteur de qualité mais faiblement couplés souvent étudiés dans la littérature, le LiNbO₃ offre des interactions piézoélectriques suffisamment fortes pour accéder à un régime de couplage ultra-fort, et ce sans nécessiter des facteurs de qualité extrêmes.Dans son ensemble, cette thèse établit des transducteurs linéaires efficaces et étudie des interactions non linéaires marquées, faisant progresser les interfaces supraconducteur-acoustique à base de LiNbO₃. Ces résultats enrichissent la boîte à outils des circuits supraconducteurs avec des éléments acoustiques sensibles, et ouvrent des perspectives pour des applications hybrides telles que la transduction micro-ondes-optique, la spectroscopie acoustique ou des expériences fondamentales explorant l’interface entre mécanique quantique et gravitation.
Conception d'interactions fortes entre circuits micro-ondes supraconducteurs et modes acoustiques dans le LiNbO3 piézoélectrique Les ondes acoustiques constituent des excitations polyvalentes, capables de s’hybrider avec une grande variété de systèmes physiques. Elles interagissent avec les champs optiques en optomécanique, avec les défauts de spin par l’intermédiaire de la déformation mécanique, et avec les circuits supraconducteurs via des mécanismes capacitifs ou piézoélectriques. Cette versatilité a motivé leur intégration dans des systèmes quantiques hybrides, notamment pour la transduction quantique, le contrôle de qubits et la métrologie de précision. Ce travail se concentre sur l’optimisation du couplage micro-ondes-acoustique entre des circuits supraconducteurs et les modes de Lamb dans des films minces suspendus de niobate de lithium (LiNbO₃), en exploitant la forte piézoélectricité de ce matériau pour concevoir des interactions robustes.La première partie aborde la transduction linéaire. Les transducteurs à ondes interdigitées (IDT) nécessitent une adaptation d’impédance pour fonctionner efficacement, ce qui implique généralement un compromis entre efficacité et bande passante. Bien qu’une conception optimale puisse être identifiée théoriquement, sa réalisation reste délicate avec les techniques classiques de l’ingénierie micro-ondes. Nous proposons ici une solution fondée sur des réseaux de SQUID à haute impédance, agissant comme des inductances linéaires et accordables, pour réaliser la transformation d’impédance requise. Cette approche permet de concevoir des transducteurs opérant près de la limite efficacité-bande passante imposée par le couplage piézoélectrique du LiNbO₃. La stratégie est appliquée à différents dispositifs : des IDT bidirectionnels classiques, des IDT unidirectionnels où des miroirs acoustiques récupèrent les ondes émises vers l’arrière, et des IDT monomodes dont le confinement transverse additionnel induit une propagation quasi unidimensionnelle. Parmi ceux-ci, les IDT unidirectionnels atteignent un couplage sans précédent, avec des produits efficacité-bande passante de l’ordre de 440 MHz et des rendements crêtes de 62 %. L’accordabilité par flux des SQUID permet en outre de réaliser des coupleurs reconfigurables entre circuits micro-ondes et résonateurs à ondes de Lamb.La seconde partie explore le régime non linéaire, où des qubits transmon sont couplés à des résonateurs acoustiques. Contrairement aux résonateurs à haut facteur de qualité mais faiblement couplés souvent étudiés dans la littérature, le LiNbO₃ offre des interactions piézoélectriques suffisamment fortes pour accéder à un régime de couplage ultra-fort, et ce sans nécessiter des facteurs de qualité extrêmes.Dans son ensemble, cette thèse établit des transducteurs linéaires efficaces et étudie des interactions non linéaires marquées, faisant progresser les interfaces supraconducteur-acoustique à base de LiNbO₃. Ces résultats enrichissent la boîte à outils des circuits supraconducteurs avec des éléments acoustiques sensibles, et ouvrent des perspectives pour des applications hybrides telles que la transduction micro-ondes-optique, la spectroscopie acoustique ou des expériences fondamentales explorant l’interface entre mécanique quantique et gravitation.
Interaction lumière-matière dans le régime à N-corps des circuits quantiques supraconducteurs Comprendre l'interaction lumière-matière est toujours un sujet d'actualité malgré des décennies de recherche intense. Grâce au large couplage lumière-matière présent dans les circuits quantiques supraconducteurs, il est maintenant possible d'effectuer des expériences où la dynamique d'environnements contenant beaucoup de degrés de liberté, devient pertinente. Ainsi, relier la physique à N-corps, généralement réservée à la matières condensée, et l’optique quantique est à portée de main.Dans ce travail, nous présentons un système totalement accordable in-situ pour étudier l'interaction lumière-matière à N-corps (N grand) dans différents régimes de couplage. Le circuit est constitué d'un bit quantique de type transmon (“la matière”) couplé capacitivement à une chaîne de 4700 jonctions Josephson en géométrie squid. Cette chaîne supporte de nombreux modes électromagnétiques ou modes plasma (“la lumière”). Grâce à la grande inductance cinétique des jonctions Josephson, la chaîne présente une impédance caractéristique élevée ce qui augmente significativement le couplage qubit-modes. Les squids dans le transmon et dans la chaîne nous permettent de modifier la force de ce couplage en appliquant un flux magnétique.Avec ce sytème, nous avons les trois ingrédients requis pour explorer la physique à N-corps: un environnement avec une grande densité de modes électromagnétiques, un couplage lumière-matière ultra-fort, et une non linéarité comparable aux autres échelles d'énergie pertinentes. De plus, nous présentons un traitement de l'effet des fluctuations du vide de ce large nombre de degrées de liberté. Ce qui nous permet d'obtenir un modèle quantitatif et sans paramètre libre de ce système complexe. Finalement, à partir du décalage de phase induit par le transmon sur les modes de la chaîne, le transmon phase shift, nous quantifions l’hybridation du qubit transmon avec plusieurs modes de la chaîne (jusqu'à 10 modes) et obtenons la fréquence de résonance du transmon, ainsi que sa largeur, confirmant que nous sommes dans le régime de couplage ultra-fort.Ce travail démontre que les circuits quantiques sont un outil puissant pour explorer l'optique quantique à N-corps de manière totalement contrôlée. Combiner des métamatériaux supraconducteurs et des qubits devrait permettre de mettre en évidence des effets à N-corps qualitatifs, comme le décalage de Lamb géant, d’observer des états non-classiques de la lumière ou la production de particules ou encore de simuler des problèmes d’impuretés quantiques (par exemple le modèle de Kondo ou celui de Sine-Gordon) et des transitions de phase quantiques dissipatives.
Optimisation de membranes en nitrure de silicium pour des circuits mécaniques-supraconducteurs hybrides Dans cette thèse, nous étudions un résonateur mécanique optimisé qui est couplé à une cavité micro-ondes. Au cours d'une expérience préliminaire, des photons micro-ondes sont employés comme bain froid pour réduire la température de l'oscillateur mécanique d'un facteur 500. Nous introduisons plusieurs améliorations à ces membranes dans l’optique de les refroidir jusqu’à leur état quantique fondamental. En particulier, nous explorons la physique riche des bandgaps phononiques pour isoler un mode de facteur de qualité ultra-élevé de ses canaux de décohérence, une méthode connue sous le nom de ``soft-clamping''. Avec un interféromètre limité quantiquement et capable de résoudre le mouvement Brownien des membranes, nous reconstruisons le profil des modes de la membrane. Grâce à cette expérience, nous identifions un groupe de modes parasitiques qui dégradent fortement le facteur de qualité des modes "soft-clamped''. Des stratégies d'optimisation du profil spectral sont donc implémentées pour assurer la performance optimale des membranes "soft-clamped''. Une fois intégrées dans une cavité électromécanique, les membranes optimisées qui ont été développées au cours de cette thèse devraient opérer profondément dans le régime quantique. Nous discutons des perspectives pour préparer des états de mouvement non-classiques qui exploitent la nonlinéarité des qubits supraconducteurs. Nous proposons en particulier une méthode pour réussir cela en utilisant un détecteur de photons micro-ondes uniques, qui a été développé en collaboration avec le LPENS. Un tel système électromécanique hybride pourrait être utilisé pour stocker des état quantiques fragiles à l'échelles des secondes, pour mesurer avec une précision sans précédent des forces infimes, ou encore pour sonder la frontière entre les mondes classiques et quantiques.
Cette thèse se concentre sur l'étude des résonateurs optomécaniques intégrés dans le régime quantique. Ils constituent en effet une plateforme très prometteuse pour plusieurs applications quantiques telles que la détection quantique (exploitation des états non-classiques du mouvement pour augmenter la sensibilité), les mémoires quantiques (les résonateurs mécaniques ont démontré de très longues durées de vie) et les transducteurs quantiques (conversion de l'information quantique encodée dans les photons micro-ondes des qubits supraconducteurs en photons télécom par l'interaction avec un résonateur mécanique). Ce travail s'est concentré sur le développement d'un transducteur quantique électro-optomécanique intégré sur silicium sur isolateur (SOI) et compatible CMOS, et d'un montage optomécanique pour permettre son fonctionnement dans le régime quantique à l'avenir. En collaboration avec l'Institut Néel et le CEA LETI à Grenoble, nous avons donc conçu un cristal optomécanique (OMC) 1D suspendu, couplé mécaniquement à un cristal électromécanique (EMC) pour former des supermodes mécaniques dans la gamme de fréquence des GHz. Ces supermodes peuvent être adressés à la fois par une cavité optique (un mode de défaut optique confiné dans le OMC) et par un résonateur supraconducteur via le couplage capacitif assuré par le EMC. Néanmoins, pour réaliser des opérations quantiques avec un tel dispositif, il est nécessaire d'éviter l'ajout de photons provenant du bain thermique mécanique, et donc de préparer le résonateur mécanique dans son état fondamental de mouvement où l'occupation moyenne des phonons est proche de zéro. Nous avons donc mis au point un montage pour préparer comme preuve de concept un résonateur optomécanique, un disque optomécanique en arséniure de gallium (qui confine des modes de galerie optiques de haute qualité bien couplés à un mode de respiration radiale mécanique à haute fréquence autour de 1 GHz), dans son état de mouvement fondamental en le refroidissant à 10 mK à l'aide d'une réfrigération par dilution. Pour mesurer l'occupation moyenne des phonons, nous avons réalisé une thermométrie des bandes latérales par comptage de photons, qui implique deux lasers bleu et rouge désaccordés d'une fréquence mécanique par rapport à la résonance optique pour entraîner des interactions optomécaniques de type Raman. Les photons diffusés par le processus optomécanique à la résonance optique sont conservés et comptés sur un détecteur de photons uniques, et les photons pompes rejetés spectralement. Grâce à cette mesure, nous avons pu démontrer une occupation moyenne des phonons de nb=0,66+-0,20, confirmant la préparation de ce résonateur très proche de son état fondamental du mouvement. Enfin, nous avons proposé une nouvelle géométrie de résonateurs optomécaniques intégrés à forte coopérativité quantique dans le silicium et l'arséniure de gallium, appelée « microgear ».
L'électrodynamique quantique en circuit est un contexte unique pour l'optique quantique et le calcul quantique. Dans cette architecture où des qubits supraconducteurs, composés de jonctions Josephson, sont fortement couplés au champ électromagnétique de résonateurs coplanaires, la dynamique du système est semblable à celle des atomes dans des cavités optiques. La polyvalence de la conception des circuits supraconducteurs permet d'étudier l'interaction lumière-matière de différents régimes et manières. Ainsi, plusieurs qubits peuvent être couplés à un seul résonateur afin de les enchevêtrer. Une jonction Josephson peut également être intégrée directement au résonateur afin de produire une interaction non linéaire entre les photons. De la même manière, il a été suggéré que le couplage qubit-résonateur pourrait devenir l'échelle d'énergie dominante du système : le régime de couplage ultrafort. Malgré que la dynamique qubit-résonateur soit bien comprise, les modèles actuels ne permettent pas de prédire correctement les effets dispersifs du résonateur sur les qubits tels : le décalage de Lamb, l'interaction d'échange virtuelle et le temps de relaxation. Comme il n'y a pas non plus de modèle général permettant de déterminer les caractéristiques d'un résonateur non linéaire, on comprend mal comment rendre la non-linéarité plus forte, ni même si le régime de couplage ultrafort peut être physiquement réalisé dans ces circuits. Dans le cadre de ma thèse, je me suis intéressé à la modélisation de qubits et de résonateurs afin de mieux comprendre l'interaction lumière-matière en circuits, dans le but de développer des conceptions alternatives d'architectures plus performantes ou qui explorent des régimes d'interactions méconnus. Pour ce faire, j'ai développé une méthode analytique générale permettant de trouver l'hamiltonien exact de circuits distribués non linéaires, une méthode basée sur la mécanique lagrangienne et la représentation des modes propres d'oscillation. La grande qualité de la méthode réside dans la description analytique détaillée des paramètres de l'hamiltonien du système en fonction de la géométrie et des caractéristiques électromagnétiques du circuit. Non seulement le formalisme développé réconcilie le modèle quantique avec l'électromagnétisme classique et la théorie des circuits, mais va bien au-delà en formulant d'importantes prédictions sur la nature des interactions et l'influence des fluctuations du vide du résonateur sur la dynamique des qubits supraconducteurs. À l'aide d'exemples numériques réalistes et compatibles avec les technologies actuelles, je montre comment de simples optimisations de conception permettraient d'augmenter grandement l'efficacité et la rapidité d'exécution de calculs quantiques avec l'architecture, en plus d'atteindre des régimes de non-linéarité et de couplage lumière-matière inédits. En permettant de mieux comprendre l'interaction lumière-matière dans les circuits et d'optimiser l'architecture afin d'atteindre de nouveaux régimes de couplages, la méthode d'analyse de circuit développée dans cette thèse permettra de tester et raffiner nos connaissances sur l'électrodynamique quantique et la physique quantique.
Cette thèse de doctorat explore les propriétés d'un circuit hybride semiconducteur-supraconducteur qu'on a appelé le qubit FerBo. En remplaçant la jonction tunnel Josephson conventionnelle d'un fluxonium par un lien faible mésoscopique hébergeant des états liés d'Andreev, le circuit couple un degré de liberté fermionique à un mode électromagnétique bosonique. Cette architecture permet un mécanisme de protection basé sur la parité: à flux externe nul, les états du qubit ont la même parité en phase, ce qui supprime fortement les éléments de matrice des opérateurs de charge et de phase. Combinée à un environnement haute impédance fourni par le mode bosonique, cette propriété apporte une protection simultanée contre la relaxation et le déphasage.Ce travail comprend la modélisation théorique et une première réalisation expérimentale de cette architecture de qubit hybride. Nous avons suivi une approche incrémentale, en commençant par la caractérisation d'un réseau de jonctions Josephson et d'un fluxonium conventionnel, pour aboutir à l'implémentation d'un prototype utilisant un nanofil semiconducteur comme lien faible. Il s'est avéré que le circuit que nous avons mesuré n'a pas atteint le régime protégé, et qu'il pouvait être décrit comme un fluxonium accordable. Pour arriver à cette conclusion, nous avons dû développer une approche théorique novatrice qui permet de comprendre les détails des spectres complexes observés dans l'expérience. Cette méthode a été conçue pour traiter efficacement l'hybridation complexe entre quelques modes non-linéaires --- tels que ceux de transmons ou de fluxoniums --- et les nombreux modes linéaires présents dans le circuit étendu. Validé sur le fluxonium conventionnel, ce cadre s'est avéré essentiel pour identifier les transitions et extraire les paramètres du hamiltonien à la fois pour le fluxonium conventionnel et le fluxonium à nanofil. Associé à une description théorique du qubit FerBo, ce travail identifie les contraintes de conception associées à la présence de nombreux modes --- telles que la gestion de l'hybridation avec le mode de lecture et les interactions avec les modes linéaires --- qu'il est nécessaire de prendre en compte pour atteindre la protection matérielle dans ce type de qubit supraconducteur hybride.
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.