La logique supraconductrice RSFQ (Rapide Single Flux Quantum) est une solution très attractive pour le <br />traitement des données à très haute fréquence avec une dissipation très faible et des performances nettement <br />supérieures à ce que la technologie CMOS pourra offrir dans la prochaine décennie. La technologie RSFQ <br />en nitrure de niobium (NbN) en cours de développement au CEA-G est basée sur des jonctions Josephson <br />NbN/Ta_{X}N/NbN auto-shuntées qui présentent une fréquence d'oscillation maximum proche du THz jusqu'à <br />10 K. L'objectif de cette recherche a été d'appliquer cette technologie NbN 9K à un CAN (Convertisseur <br />Analogique-Numérique) adaptable aux télécommunications spatiales. Une architecture de type CAN <br />sigma-delta a été étudiée, sur-échantillonnant à 200 GHz de fréquence d'horloge un <br />signal avec une bande de 500 MHz et modulé sur une porteuse de 30 GHz. En particulier une horloge, <br />un comparateur et différents portes <br />logiques ont été étudiés et conçus pour opérer à 200 GHz ainsi qu'un modulateur sigma-delta passe-bande <br />du troisième ordre dont les performances SNR, SFDR, devraient après optimisation satisfaire les objectifs <br />visés. La complexité de l'architecture du filtre de décimation a été analysée. Certains composants de base <br />du filtre, des diviseurs de fréquence et des registres à décalage, ont été étudiés et dessinés, enfin quelques <br />méthodes de test du modulateur sont proposées. Le travail d'implémentation de circuits NbN en technologie <br />multi-niveaux a été traité conduisant à la réalisation complète de deux lots de circuits qui pour des raisons <br />technologiques clarifiées ensuite n'ont pu aboutir au test des portes logique du CAN. Cependant, les marges de <br />fonctionnement des portes logiques NbN ont été déterminées grâce à la caractérisation de jonctions, SQUIDs <br />et de filtres (résonateurs) micro-ondes. Finalement, une étude comparative entre des circuits à jonctions NbN <br />auto-shuntées opérant à 9K en réfrigération allégée et des circuits similaires obtenus en fonderie Nb basés sur <br />des jonctions Nb/AlO_{X}/Nb shuntées en externe opérant à 4K, démontre tous les avantages qu'on peut espérer <br />attendre de la technologie NbN.

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.

Les amplificateurs paramétriques Josephson (JPA) se sont révélés être un outil indispensablepour l’étude expérimentale de dispositifs quantiques dans le régime micro-onde ; car ilsrajoutent uniquement le minimum de bruit imposé par la mécanique quantique[1]. Cependant,ces amplificateurs sont beaucoup plus difficiles à utiliser et optimiser que leurs homologuesclassiques. Récemment, plusieurs expériences réalisées avec des circuits supraconducteurs,composés d’une jonction Josephson polarisée en tension en série avec un résonateur microonde,ont montré qu’une paire de Cooper peut traverser la barrière de la jonction par effettunnel en émettant un ou plusieurs photons avec une énergie totale de 2e fois la tensionappliquée. Dans cette thèse, nous montrerons qu’un tel circuit permet de mettre en place unamplificateur micro-onde préservant la phase que nous appelons « Amplificateur basé sur letunneling inélastique de paires de Cooper » (ICTA). Il est alimenté par une tension continueet peut fonctionner avec un bruit très proche de la limite quantique.Nous commencerons en présentant le principe du fonctionnement de l’ICTA. Par analogieavec la théorie quantique des JPAs[2], nous avons étudié les performances de cet amplificateurcomme le gain, la bande passante et le bruit. Ensuite, nous présenterons la premièrepreuve expérimentale d’une amplification proche de la limite quantique sans utilisation d’unepompe micro-onde externe, mais simplement d’une tension continue dans une configurationextrêmement simple. Ces mesures ont été faites sur des échantillons avec des jonctionsen aluminium, dénommés ICTA de première génération. Selon nos résultats théoriques etexpérimentaux, nous avons conçu des circuits hyperfréquences où l’impédance présentéeà la jonction dépend de fréquences spécifiques afin d’optimiser les performances de notreamplificateur. Ces échantillons, dénommés ICTA de seconde génération, ont été fabriquésavec du nitrure de niobium. Une amélioration significative du gain et du bruit a été prouvée.Un tel amplificateur, alimenté par une simple tension continue, pourrait rendre la mesurede signaux micro-ondes au niveau du photon unique beaucoup plus faciles et permettred’intégrer plusieurs amplificateurs sur une seule puce. Il pourrait donc être un élémentimportant pour la lecture de qubit dans les processeurs quantiques à grande échelle. / Josephson parametric amplifiers (JPA), have proven to be an indispensable tool for awide range of experiments on quantum devices in the microwave frequency regime, becausethey provide the lowest possible noise. However, JPAs remain much more difficult to use andoptimize than conventional microwave amplifiers. Recent experiments with superconductingcircuits consisting of a DC voltage-biased Josephson junction in series with a resonator,showed that a tunneling Cooper pair can emit one or several photons with a total energyof 2e times the applied voltage. In this thesis we show that such q circuit can be used toimplement a new type of phase preserving microwave amplifier, which we call InelasticCooper pair Tunneling Amplifier (ICTA). It is powered by a simple DC bias and offers nearquantum-limited noise performance.We start this work by presenting a brief and simple picture of the basic ICTA operatingprinciples. In analogy with the quantum theory of JPAs, we calculate the performances ofthis amplifier such as the gain, bandwidth and noise. Then, we present the first experimentalproof that amplification close to the quantum limit is possible without microwave drive inan extremely simple setup. These measurements are made on a first generation of samplesbased on aluminium junctions. According to our theoretical and experimental results, wehave designed microwave circuits presenting specific frequency-dependent impedances tothe junction in order to optimize the performances of our amplifier. This second generationof ICTA samples is fabricated from niobium nitride and provide significantly lower noiseand higher gain.We expect that once fully optimized, such an amplifier, powered by simple DC voltagescould then make measuring microwave signals at the single photon level much easier andallow to deploy many amplifiers on a chip. It could therefore be an important ingredient forqubit readout in large-scale quantum processors.

Cette thèse explore les caractéristiques uniques offertes par le mélangeur Josephson dans le domaine émergeant de l’optique quantique micro-onde. Nous avons démontré que le mixeur Josephson pouvait jouer trois rôles majeurs pour le traitement de l’information quantique. Nous avons conçu et fabriqué un amplificateur à la limite quantique avec la meilleure efficacité quantique démontrée à cette date. Cet outil crucial peut être utilisé pour la mesure microonde de systèmes mésoscopiques dont les circuits supraconducteurs. En particulier, cela nous a permis de réaliser avec succès la stabilisation de trajectoires d’un bit quantique supraconducteur par rétroaction basée sur la mesure. Ensuite, nous avons montré comment ce circuit peut générer et distribuer des radiations micro-ondes intriquées par conversion paramétrique spontanée sur des lignes de transmissions séparées dans l’espace et à des fréquences différentes. En utilisant deux mixeurs Josephson, nous avons fourni la première démonstration d’intrication non- locale entre deux champs propageants dans le domaine micro-onde, les états dits EPR. Finalement, nous avons utilisé le mixeur Josephson dans le mode de conversion de fréquence. Il se comporte alors comme un interrupteur, permettant d’ouvrir ou fermer dynamiquement l’accès à une cavité de haut facteur de qualité. L’ensemble constitue une mémoire quantique. En combinant cela avec la génération d’intrication, nous avons mesuré la distribution, le stockage et la libération sur demande d’un état intriqué. Ceci est un pré-requis pour jouer le rôle de nœud au sein d’un réseau quantique. / This thesis work explores unique features offered by the Josephson mixer in the upcoming field of microwave quantum optics. We have demonstrated three major roles the Josephson mixer could play in emerging quantum information architectures. First, we have designed and fabricated a state-of-the-art practical quantum limited amplifier with the best quantum efficiency achieved to date. This tool is crucial for probing mesoscopic systems with microwaves, and in particular superconducting circuits. Hence, it has enabled us to realize successfully the stabilization of quantum trajectories of a superconducting qubit by measurement-based feedback. Second, we have shown how this circuit can generate and distribute entangled microwave radiations on separated transmission lines at different frequencies. Using two Josephson mixers, we have provided the first demonstration of entanglement between spatially separated propagating fields in the microwave domain, the so-called Einstein-Podolsky-Rosen states. Finally, we have used the Josephson mixer as a frequency converter. Acting as a switch, it is able to dynamically turn on and off the coupling to a low loss cavity. This feature allowed us to realize a quantum memory for microwaves. In combination with the ability to generate entanglement, we have measured the time-controlled generation, storage and on-demand release of an entangled state, which is a prerequisite for nodes of a quantum network.

Quelques particularités des polaritons, (quasi) particules-modes normaux du système d'excitons en interaction avec des photons en régime de couplage dit fort, sont théoriquement et numériquement analysés dans les systèmes de dimensionnalité basse. Dans le chapitre 1 est donné un bref aperçu en structure 0D, 1D et 2D semi-conductrices avec une introduction générale au domaine des polaritons. Le chapitre 2 est consacré aux micro / nano fils. Les modes de galerie sifflants sont étudiés dans le cas général d'un système anisotrope ainsi que la formation des polaritons dans les fils de ZnO. Le modèle théorique est comparé à l’expérience. Dans le chapitre 3 la dynamique de type Josephson pour les condensats de Bose-Einstein des polaritons est analysé en prenant en compte le pseudospin. Le chapitre 4 commence par une introduction à l'effet Aharonov-Bohm, qui est la phase géométrique la plus connue. Une autre phase géométrique - phase de Berry, qui existe pour une large classe de systèmes en évolution adiabatique sur un contour fermé, est l'objet principal de cette section. Nous avons examiné une proposition d'un interféromètre en anneau avec exciton-polaritons basé sur l'effet phase de Berry. Le chapitre 5 concerne un système 0D: un exciton d’une boîte quantique fortement couplé avec des photons dans une cavité optique. Nous avons discuté de la possibilité d'obtenir des états intriqués à partir d'une boîte quantique embarquée dans un cristal photonique en régime polaritonique. / Some special features of polaritons, quasi-particles being normal modes of system of excitons interacting with photons in so called strong coupling regime, are theoretically and numerically analyze in low dimensional systems. In Chapter 1 is given a brief overview of 0D, 1D and 2D semiconductor structures with a general introduction to the polariton field. Chapter 2 is devoted to micro / nano wires. The so called whispering gallery modes are studied in the general case of an anisotropic systems as well as polariton formation in ZnO wires. Theoretical model is compared with an experiment. In the Chapter 3 Josephson type dynamics with Bose-Einstein condensates of polaritons is analyzed taking into account pseudospin degree of freedom. Chapter 4 start with an introduction to Aharonov-Bohm effect, as the best known represent of geometrical phases. An another geometrical phase – Berry phase, occurring for a wide class of systems performing adiabatic motion on a closed ring, is main subject of this section. We considered one proposition for an exciton polariton ring interferometer based on Berry phase effect. Chapter 5 concerns one 0D system : strongly coupled quantum dot exciton to cavity photon. We have discussed possibility of obtaining entangled states from a quantum dot embedded in a photonic crystal in polariton regime.

L'imagerie par résonance magnétique (IRM) est une modalité qui offre de bons contrastes et une bonne résolution spatiale, mais qui souffre d'un important problème de sensibilité. Pour répondre à cette problématique, le paradigme actuel est d'accroitre le champ magnétique des aimants d'IRM. Ceci mène toutefois à une explosion des coûts et à des contraintes accrues vis-à-vis des patients. L'approche que nous présentons est radicalement différente~: il s'agit de travailler à champ faible. Les antennes classiques n'étant pas assez sensibles pour recueillir le signal, l'idée est d'utiliser des SQIF. Ces derniers sont une nouvelle technologie d'antennes supraconductrices ultra-sensibles basées sur les réseaux de SQUID. Le projet vise à optimiser les capteurs SQIF et à les adapter pour la première fois à la RMN afin de mesurer un signal sur un aimant à 0.2~T.Pour ce faire, nous avons développé et étudié les performances de nouvelles architectures d'antennes SQIF afin de définir la géométrie la plus adaptée à la RMN. Nous avons également cherché à mieux comprendre comment le contexte d'utilisation de ces nouvelles antennes pouvait influencer leurs performances. Le jeu d'antennes le plus performant réalisé avait un facteur de transfert de 8.4~kVperT et un seuil de détection de 190~fTperHz. Il fut également observé que la présence d'un champ magnétique pendant le refroidissement de ces capteurs supraconducteurs dégradait leur réponse, phénomène à prendre en compte en RMN.Un Démonstrateur Super-QIF intégrant un SQIF dans l'IRM à 0.2~T fut conçu en tenant compte des contraintes géométriques et de l'environnement magnétique. Après sa fabrication, la température du cryostat était de 50~K, donc suffisante pour le bon fonctionnement des SQIF. Les premiers tests ont montrés que la présence du système ne perturbait pas le signal de RMN.Le démonstrateur est toujours en cours de développement et devrait permettre de mesurer un de RMN dans les mois à venir. À long terme, ces travaux pavent la voie à des applications des SQIF en IRM à champ terrestre. / Magnetic resonance imaging (MRI) is a modality that offers good contrasts and good spatial resolution, but suffers from a significant sensitivity problem. To address this issue, the current paradigm is to increase the magnetic field of MRI magnets. However, this leads to an explosion of costs and to increased constraints on patients. The approach we present is radically different: it involves working in a weak field. As conventional antennas are not sensitive enough to collect the signal, the idea is to use SQIF. These are a new ultra sensitive superconducting antenna technology based on SQUID networks. The project aims to optimize SQIF technology and adapt it to measure an NMR signal in a 0.2~T magnet.To do this, we developed and studied the performance of new SQIF antenna architectures in order to define the geometry most suitable for NMR. We also sought to better understand how the context of use of these new antennas could influence their performance. The best performing antennas set had a transfer factor of 8.4~kVperT and a detection threshold of 190~fTperHz. It was also observed that the presence of a magnetic field during the cooling of these superconducting sensors degraded their response, a phenomenon to be accounted for in NMR.The Super-QIF Demonstrator incorporating a SQIF in the 0.2~T MRI was designed considering the geometric constraints and the magnetic environment. After its assembly, the temperature of the cryostat was 50~K, therefore sufficient for the proper operation of SQIF. The first tests showed that the system presence did not disturb the NMR signal.The demonstrator is still under development and is expected to measure an NMR signal in the forthcoming months. In the long term, this work paves the way for applications of SQIF in Earth's field MRI.