Résumé : Ce mémoire rapporte les premières mesures de fluctuations de courant émises par une jonction tunnel sur une large bande passante, de 0.3 à 13 GHz, à une température très basse de 35 mK. Cela nous a permis de réaliser la spectroscopie (i.e. mesurer la dépendance en fréquence) du bruit thermique (tension de polarisation nulle, température variable), bruit de grenaille (basse température, tension de biais variable) et bruit photo-assisté (tension de polarisation AC). Grâce à la large bande passante de nos mesures, nous pouvons calculer le corrélateur courant-courant dans le domaine temporel. Nous observons le déclin thermique de ce corrélateur ainsi que ses oscillations de période h/eV, une conséquence directe du principe de Pauli sur le transport quantique. // Abstract : This thesis reports the first measurements of the current fluctuations emitted by a tunnel junction with a very wide bandwidth, from 0.3 to 13 GHz, down to very low temperature T=35 mK. This allowed us to perform the spectroscopy (i.e., measure the frequency dependence) of thermal noise (no dc bias, variable temperature), shot noise (low temperature, variable dc voltage bias) and photon-assisted noise (ac bias). Thanks to the very wide bandwidth of our measurement, we can deduce the current-current correlator in time domain. We observe the thermal decay of this correlator as well as its oscillations with a period h/eV, a direct consequence of the effect of the Pauli principle in quantum transport.

L’électronique de spin tient une place primordiale dans les technologies de l’information. Un exemple flagrant est le disque dur magnétique à haute densité de stockage intégré aujourd’hui dans la plupart des ordinateurs personnels. D’un point de vue fondamental, les opérations de base comme l’injection, la propagation et la détection de l’information de spin restent néanmoins complexes à réaliser. Des plateformes adaptées à la réalisation de ces tâches élémentaires sont très recherchées. Dans ce contexte, les nanomatériaux carbonés sont très prometteurs. Au cours de ma thèse, je me suis intéressé au transport de spin dans des nanotubes de carbone multi-parois présentant des effets de super-réseaux (Moiré 1D). J’ai également étudié la croissance de barrières moléculaires conformationnelles afin d’optimiser l’injection et la détection de l’information de spin. Je présenterai tout d’abord les caractérisations électriques des dispositifs mettant en évidence des effets de Moirés, identifiés grâce aux simulations effectuées par l’équipe de Jean-Christophe Charlier. Je montrerai ensuite comment la croissance de la couche moléculaire influence le transport en formant une barrière d’injection. Finalement, je présenterai les expériences de magnéto-transport dans ces dispositifs hybrides. La magnétorésistance observée semble indiquer un transport de spin efficace sur des distances au moins de l’ordre du micromètre. Je discuterai particulièrement de l’amplitude, du signe et de la dépendance en tension de la magnétorésistance dans le cadre de modèles standards de transport de spin / Spin electronics holds a key role in information technology. A glaring example is the high-density magnetic hard disk storage built into most personal computers. From a fundamental point of view, basic operations such as injection, propagation and detection of spin information remain nevertheless complex. Platforms adapted to the realization of these basic tasks are highly sought after. In this context, carbon nanomaterials are very promising. During my thesis, I was interested in the transport of spin in multi-wall carbon nanotubes presenting super-lattice effects (Moiré 1D). I have also studied the growth of conformational molecular barriers in order to optimize injection and detection of spin information. I will present first the electrical characterizations of the devices highlighting the effects of Moirés, identified thanks to the simulations carried out by the team of Jean-Christophe Charlier. I will then show how the growth of the molecular layer influences transport by forming an injection barrier. Finally, I will present the experiments of magneto-transport in these hybrid devices. The observed magnetoresistance seems to indicate efficient spin transport over distances of at least a micrometer. I will discuss in particular the amplitude, the sign and the voltage dependence of the magnetoresistance in the framework of standard models of spin transport

Cette thèse présente le travail expérimental effectué pour observer la dynamique quantique de Zénon (QZD) dans une architecture 'circuit-QED' tridimentionnelle fonctionnant à très basse température. Dans cette architecture, un circuit supraconducteur de type transmon, jouant le rôle d'un atome artificiel, est couplé au champ électromagnétique d'une cavité microonde. Les niveaux d'énergie de l'atome et de la cavité sont alignés d'une nouvelle manière, afin de manipuler les états de Fock individuels de la cavité, tout en minimisant sa non-linearité Kerr induite par le transmon. La dynamique Zénon est obtenue en pilotant classiquement le champ de la cavité, tout en excitant fortement une transition inter-niveaux d'énergie du transmon, conditionnée à un état de Fock particulier. Ce forcage maintient la population de l'état de Fock à zéro, et conduit à la dynamique Zeno. Cette dynamique est observée par mesure de sa fonction de Wigner à intervalles de temps réguliers, soit par tomographie de Wigner, soit par tomographie quantique standard et reconstruction de la matrice densité. Nous observons trois exemples de QZD, et analysons la décohérence observée à l'aide simulations quantiques du système. / This thesis presents experimental work aimed at observing the quantum Zeno dynamics (QZD) in 3D circuit-QED, where an artificial atom, consisting of a superconducting circuit called a transmon, is coupled to the electric field of a microwave cavity resonator. The transmon and resonator energy levels are aligned in a novel way enabling the manipulation of individual Fock states of the cavity, while minimizing its transmon-induced Kerr non-linearity. We induce the QZD by displacing classically the cavity field while continuously driving strongly a transmon transition specific to a particular Fock state, which keeps this Fock state population at zero. The QZD is then observed by measuring the Wigner function of the fields at regular time intervals, either by Wigner tomography or standard quantum tomography and reconstruction of the density matrix. We observe three examples of QZD, and analyze the observed decoherence with the help of quantum simulations of the system.

Au cours des dernières anneés, le refroidissement des électrons par effet tunnel dans des jonctions hybrides composés de métal Normal - Isolant - Supraconducteur (N-I-S) a suscité de plus en plus l'attention. Son principe repose sur un effet tunnel sélectif en énergie en raison de la présence d'une bande interdite Delta dans la densité d'états du supraconducteur. Avec une tension de polarisation inférieure à l'énergie du gap, seuls les électrons de plus haute énergie peuvent traverser l'interface du métal normal par effet tunnel, laissant derrière eux les électrons de moindre énergie. Nous avons mesuré la conductance différentielle de jonctions S-I-N-I-S avec une grande résolution. Son analyse nous renseigne sur la température électronique du métal normal en fonction de la tension. Un modèle quantitatif est proposé qui inclut le couplage électron-phonon et la résistance dite de Kapitza, à l'interface avec le substrat. Avec ce modèle, nous avons réalisé une description détailleé du courant électronique et du flux de chaleur. Nous avons également montré que la température des phonons dans le métal normal baisse sensiblement au-dessous de la température du substrat. A très basse température (T < 200 mK) et à faible tension de polarisation, le courant d'Andreev cohérent en phase domine le courant des quasi-particules. En analysant quantitativement l'équilibre thermique dans la jonction S-I-N-I-S, nous avons démontré que le courant d'Andreev transporte de la chaleur. Cette contribution thermique chauffe les électrons du métal normal. Le refroidissement électronique à la tension de polarisation optimum (V ~ 2Delta/e) dans la jonction S-I-N-I-S est un problème bien connu mais qui reste en suspens. L'effet de refroidissement dans la jonction S-I-N-I-S est accompagné par l'injection de quasi- particules dans les électrodes supraconductrices. Nous avons proposé un modèle simple pour la diffusion de l'excès des quasi-particules dans l'électrode supraconductrice possédant un piège métallique. Le modèle de diffusion a une solution analytique qui prédit la température minimum de refroidissement susceptible d'e^tre atteinte.

Courant Josephson dans une jonction "S/2DQ/S" : Nous caractérisons les effets d'Andreev croisés (CAR) dans une jonction composée de deux points quantiques couplés à deux contacts supraconducteurs. En présence d'un flux magnétique intérieur, la présence ou non de CAR influe directement sur la période d'oscillation du courant critique. Techniquement, on calcule l'énergie libre dans le formalisme d'intégrales de chemins et on utilise une approche de champ moyen pour traiter l'interaction coulombienne. On obtient ainsi le courant Josephson, le nombre d'occupation moyen et des diagrammes de phases pour la transition 0 - p. Courant dans une jonction "S/QD/S+N" : nous caractérisons la présence d'un contact normal dans une jonction de référence composée d'un point quantique couplé à deux contacts supraconducteurs. Un tel système pourrait servir à simuler la décohérence dans le transport. Nous montrons que la première harmonique du courant est déphasée en présence du contact normal. D'autres effets sur les réflexions multiples d'Andreev sont observés. Techniquement, nous utilisons le formalisme de Keldysh et une approche de champs moyens pour traiter l'interaction coulombienne. Bruit dans une fourche "nanotube de carbone-métal" : nous étudions le bruit en régime photo-assisté dans un système composé d'un nanotube de carbone de longueur finie couplé en son centre à un métal normal. Les corrélations de courant montrent les effets de l'interaction coulombienne dans le nanotube ainsi que les marches caractéristiques du régime photo-assisté.

Le mélange de deux faisceaux laser sur un photo-détecteur permet de générer un signal radiofréquence jusqu'au THz. Par corrélation des deux sources optiques, le signal obtenu peut acquérir la pureté spectrale requise pour les réseaux de communications radio sur fibre. Notre travail porte sur la méthode de corrélation par accrochage optique sur un peigne de fréquences. L'injection optique permet de transférer le bruit de phase d'un laser maître, pris comme référence, à un laser esclave. En utilisant deux harmoniques d'un laser modulé en fréquence comme sources distinctes d'injection, les bruits de phase des deux lasers esclaves sont corrélés et la différence de fréquences est multiple de la fréquence primaire. Nous avons réalisé une étude théorique générale de l'injection dans les lasers semi-conducteur à cavité complexe, en particulier les lasers DFB, en mettant notamment en évidence l'asymétrie géométrique du bruit. Nous avons relié théoriquement le degré de corrélation entre les deux lasers aux paramètres d'injection et au bruit de phase. L'expression a été confirmée par des mesures sur le contraste de franges d'interférences et le spectre du photo-courant hétérodyne. Ces battements temporels ont été mis en regard avec l'optique de Fourier et le speckle. Nous avons étudié la pureté spectrale du battement et établi les limites fondamentales de cette technique en fonction de la qualité de l'oscillateur primaire, des propriétés spectrales des lasers, des paramètres d'injection et de transport sur fibre. Les mesures de bruit de phase sur le signal généré expérimentalement, pour différentes conditions d'injection, sont en très bon accord avec les expressions analytiques.

Nous avons étudié la dynamique quantique d'un circuit supraconducteur constitué d'un SQUID dc couplé à un transistor à paires de Cooper fortement asymétrique (ACPT). Le SQUID dc est un qubit de phase contrôlé par un courant de polarisation et un champ magnétique. L'ACPT est un qubit de charge contrôlé par un courant de polarisation, un champ magnétique et une tension de la grille.<br /><br />Nous avons mesuré par spectroscopie micro-onde les premiers niveaux d'énergie du circuit couplé en fonction des paramètres de contrôle. Les mesures des états quantiques des qubits de charge et de phase sont réalisées par une mesure d'échappement du SQUID dc avec une impulsion de flux nanoseconde appliquée dans celui-ci. La mesure de l'ACPT utilise un nouveau processus quantique : l'état excité de l'ACPT est transféré adiabatiquement vers l'état excité du SQUID durant l'impulsion de flux.<br /><br />Notre circuit permet de manipuler indépendamment chaque qubit tout comme il permet d'intriquer les états quantiques des deux circuits. Nous avons observé des anti-croisements des niveaux d'énergie des deux qubits lorsqu'ils sont mis en résonance. Le couplage a été mesuré sur une large gamme de fréquence, pouvant varier de 60 MHz à 1.1 GHz. Nous avons réussi à obtenir un couplage variable entre le qubit de charge et le qubit de phase. Nous avons analysé théoriquement la dynamique quantique de notre circuit. Cette analyse a permis de bien expliquer le couplage variable mesuré par une combinaison entre un couplage Josephson et un couplage capacitif entre les deux qubits.

Cette thèse porte sur la réalisation expérimental d'un atome artificiel possédant un diagramme énergétique en forme de V. Inspiré par les expériences des ions piégés, nous avons théoriquement prédit une lecture ultra rapide et de haute fidélité de l'état d'un qubit en utilisant un atome artificiel en forme de V dans une architectures d'électrodynamiques de circuits quantique. Pour réaliser cette expérience, nous avons développé une installation expérimental pour effectuer des mesures de transmissions de nos circuits quantiques supra-conducteur par une méthode hétérodyne. Nous avons aussi mis en oeuvre un environnement matériel et logiciel permettant des spectroscopies multi-tons et des mesures résolus en temps afin de contrôler l'état quantique de l'atome artificiel et l'état de photon cohérent dans le résonateur. De plus nous avons caractérisé des résonateurs micro-ondes quart d'ondes fabriqués à partir d'Aluminium et de Rhénium épitaxié. Le dispositif quantique original est fabriqué en couplant inductivement deux transmons. Lorsque le couplage inductif est de l'ordre de grandeur de l'inductance Josephson, nous observons des modes d'oscillations "en-phase" et "hors-phase" de la phase à travers les jonctions. Le spectre d'énergie du système, mesuré par des spectroscopies deux-tons, est précisément décrit par notre modèle analytique. Dans la limite des excitations de petites énergies, les deux modes peuvent être considérés comme des simples systèmes à deux niveaux appelés ci-après qubits. A zéro champ magnétique, il a été observé que les deux qubits deviennent couplés uniquement par une anharmonicité croisée. Cela a été révélé, à travers des spectroscopies trois-tons, par un décalage conditionnel de la fréquence de transition d'un qubit dépendant de l'état de l'autre qubit aussi grand que 115 MHz. Tous ces résultats expérimentaux démontrent un diagramme énergétique en V pour notre atome artificiel ce qui ouvre la voie pour des expérience originales dans le domaine de l'électrodynamique quantique. / This thesis focuses on the experimental realisation of an artificial atom with a V-shape energy level diagram.Inspired by trapped-ion experiments, we theoretically predict an ultra fast and high fidelity quantum nondestructive readout of qubit state by using the V-shape artificial atom in a circuit quantum electrodynamicsarchitecture.To realise this experiment, we have developed an experimental setup to perform transmission measurementsof our superconducting quantum circuits by heterodyne technique at very low temperatures (30mK) and verylow signal amplitude (fW). We also implemented a hardware and software environment enabling multi-tonespectroscopies and time-resolved measurements in order to control the quantum state of the artificial atomand the coherent field in the resonator. In addition, in order to optimise the experiment circuits we havecharacterised quarterwave microwave resonators made from aluminium and epitaxial rhenium thin films.The original quantum device is fabricated by two inductively coupled transmons. When the couplinginductance is of the order of the Josephson inductance, we observe “in-phase” and “out-of-phase” oscillatingmodes of the superconducting phase across the junctions. The energy spectrum of the system, measured bytwo-tone spectroscopy, is magnetic flux dependent. It is precisely described by our theoretical model leadingto an accurate determination of the circuit parameters. Because of their anharmonicity, in the low-energylimit, the two modes can be considered as two-level systems called qubits. At zero magnetic field, it hasbeen observed that the two qubits become coupled only by a cross-anharmonicity. This has been revealed,through three-tone spectroscopy, by a conditional frequency shift as large as 115MHz of one qubit transitiondepending on the other qubit state. All these experimental results demonstrate a V-shape energy diagram forour artificial atom which paves the way to an original and high performance read-out

Cette thèse porte sur la réalisation expérimental d'un atome artificiel possédant un diagramme énergétique en forme de V. Inspiré par les expériences des ions piégés, nous avons théoriquement prédit une lecture ultra rapide et de haute fidélité de l'état d'un qubit en utilisant un atome artificiel en forme de V dans une architectures d'électrodynamiques de circuits quantique. Pour réaliser cette expérience, nous avons développé une installation expérimental pour effectuer des mesures de transmissions de nos circuits quantiques supra-conducteur par une méthode hétérodyne. Nous avons aussi mis en oeuvre un environnement matériel et logiciel permettant des spectroscopies multi-tons et des mesures résolus en temps afin de contrôler l'état quantique de l'atome artificiel et l'état de photon cohérent dans le résonateur. De plus nous avons caractérisé des résonateurs micro-ondes quart d'ondes fabriqués à partir d'Aluminium et de Rhénium épitaxié. Le dispositif quantique original est fabriqué en couplant inductivement deux transmons. Lorsque le couplage inductif est de l'ordre de grandeur de l'inductance Josephson, nous observons des modes d'oscillations "en-phase" et "hors-phase" de la phase à travers les jonctions. Le spectre d'énergie du système, mesuré par des spectroscopies deux-tons, est précisément décrit par notre modèle analytique. Dans la limite des excitations de petites énergies, les deux modes peuvent être considérés comme des simples systèmes à deux niveaux appelés ci-après qubits. A zéro champ magnétique, il a été observé que les deux qubits deviennent couplés uniquement par une anharmonicité croisée. Cela a été révélé, à travers des spectroscopies trois-tons, par un décalage conditionnel de la fréquence de transition d'un qubit dépendant de l'état de l'autre qubit aussi grand que 115 MHz. Tous ces résultats expérimentaux démontrent un diagramme énergétique en V pour notre atome artificiel ce qui ouvre la voie pour des expérience originales dans le domaine de l'électrodynamique quantique. / This thesis focuses on the experimental realisation of an artificial atom with a V-shape energy level diagram.Inspired by trapped-ion experiments, we theoretically predict an ultra fast and high fidelity quantum nondestructive readout of qubit state by using the V-shape artificial atom in a circuit quantum electrodynamicsarchitecture.To realise this experiment, we have developed an experimental setup to perform transmission measurementsof our superconducting quantum circuits by heterodyne technique at very low temperatures (30mK) and verylow signal amplitude (fW). We also implemented a hardware and software environment enabling multi-tonespectroscopies and time-resolved measurements in order to control the quantum state of the artificial atomand the coherent field in the resonator. In addition, in order to optimise the experiment circuits we havecharacterised quarterwave microwave resonators made from aluminium and epitaxial rhenium thin films.The original quantum device is fabricated by two inductively coupled transmons. When the couplinginductance is of the order of the Josephson inductance, we observe “in-phase” and “out-of-phase” oscillatingmodes of the superconducting phase across the junctions. The energy spectrum of the system, measured bytwo-tone spectroscopy, is magnetic flux dependent. It is precisely described by our theoretical model leadingto an accurate determination of the circuit parameters. Because of their anharmonicity, in the low-energylimit, the two modes can be considered as two-level systems called qubits. At zero magnetic field, it hasbeen observed that the two qubits become coupled only by a cross-anharmonicity. This has been revealed,through three-tone spectroscopy, by a conditional frequency shift as large as 115MHz of one qubit transitiondepending on the other qubit state. All these experimental results demonstrate a V-shape energy diagram forour artificial atom which paves the way to an original and high performance read-out

Au cours de ma thèse, je me suis intéressé à deux aspects de l'interaction charge-rayonnement dans des jonctions tunnel. Premièrement j'ai étudié la dynamique des transferts de charge à travers une jonction tunnel normale lorsque celle-ci est couplée à un environnement dont l'impédance est comparable au quantum d'impédance (RK= h/e^2). Nous avons montré que les uctuations de courant portent des signatures de processus à un, deux et trois photons. Deuxièmement j'ai caractérisé le rayonnement émis par une jonction Josephson lorsque celle-ci est couplée à deux résonateurs de fréquences différentes, nu_1 et nu_2, et soumise à une tension 2eV = h nu_1+h nu_2. Nous avons montré que les photons sont émis pas paires, ce qui constitue un rayonnement non-classique violant l'inégalité de Cauchy-Schwarz.Nos résultats montrent que le blocage de Coulomb dynamique constitue une ressource pour la production de micro-ondes quantiques. / In this thesis work, I have focused on two aspects of the charge-light interaction for tunnel junctions. On one hand, I have investigated the influence of the coupling to electromagnetic radiation on the dynamics of charge transfer through a normal tunnel junction when the impedance of its environment gets comparable to the resistance quantum (RK=h/e^2). We showed that the current fluctuations bear signature of the processes where one, two or three photons are emitted.On the other hand, we used a Josephson junction, embedded in a circuit made of two resonators at different frequencies, nu_1 and nu_2, and biased at the voltage 2eV=h nu_1+h nu_2. We showed that the Josephson junction emits photon pairs corresponding to a non classical state of radiation which violates the Cauchy-Schwarz inequality.Our results extend the toolbox for performing quantum optics experiments in the microwave domain.