Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

The work presented in this thesis investigates transitions between quantum states in superconducting double dots (SDDs), a nanoscale device consisting of two aluminium superconducting islands coupled together by a Josephson junction, with each dot connected to a normal state lead. The energy landscape consists of a two level manifold of even charge parity Cooper pair states, and continuous bands corresponding to charge states with single quasiparticles in one or both islands. These devices are fabricated using shadow mask evaporation, and are measured at sub Kelvin temperatures using a dilution refrigerator. We use radio frequency reflectometry to measure quantum capacitance, which is dependent on the quantum state of the device. We measure the quantum capacitance as a function of gate voltage, and observe capacitance maxima corresponding to the Josephson coupling between even parity states. We also perform charge sensing and detect odd parity states. These measurements support the theoretical model of the energy landscape of the SDD. By measuring the quantum capacitance in the time domain, we observe random switching of capacitance between two levels. We determine this to be the stochastic breaking and recombination of single Cooper pairs. By carrying out spectroscopy of the bath responsible for the pair breaking we attribute it to black-body radiation in the cryogenic environment. We also drive the breaking process with a continuous microwave signal, and find that the rate is linearly proportional to incident power. This suggests that a single photon process is responsible, and demonstrates the potential of the SDD as a single photon microwave detector. We investigate this mechanism further, and design an experiment in which the breaking rate is enhanced when the SDD is in the antisymmetric state rather than the symmetric state. We also measure the quantum capacitance of a charge isolated double dot. We observe 2e periodicity, indicating the tunnelling of Cooper pairs and the lack of occupation of quasiparticle states. This work is relevant to the range of experiments investigating the effect of non-equilibrium quasiparticles on the operation of superconducting qubits and other superconducting devices.

In dieser Doktorarbeit werden zwei Konzepte der Quanteninformationsverarbeitung realisiert. Der Quantenschlüsselaustausch ist revolutionär, weil er perfekte Sicherheit gewährleistet. Zahlreiche Quantenkryptografieprotokolle wurden schon untersucht. Zwei Probleme bestehen. Zum einen ist es sehr schwer, die Bedingungen herzustellen, die in den Annahmen für perfekte Sicherheit impliziert sind. Zum anderen sind die Reichweiten auf momentan etwa 200 km begrenzt, aufgrund des abnehmenden Signals gegenüber des konstanten Rauschens. Ein Experiment dieser Doktorarbeit beschäftigt sich mit dem ersten Problem. Insbesondere der übertragene Quantenzustands ist kritisch für die Sicherheit des Verfahrens. Es werden Einzelphotonen von Stickstoff- Fehlstellen-Zentren und zum ersten Mal von Silizium-Fehlstellen-Zentren für einen Quantenschlüsselaustausch mit Hilfe des BB84-Protokolls benutzt. Die Abweichung von idealen Einzelphotonenzuständen sowie deren Bedeutung für die Sicherheit werden analysiert. Die Übertragung von Quantenzuständen via Satellit könnte das Problem der begrenzten Reichweite lösen. Das neue Frequenz-Zeit- Protokoll eignet sich dafür besonders gut. Es wird während dieser Arbeit zum ersten Mal überhaupt implementiert. Umfangreiche Untersuchungen inklusive der Variation wesentlicher experimenteller Parameter geben Aufschluss über die Leistungsfähigkeit und Sicherheit des Protokolls. Außerdem werden elementare Bestandteile eines vollautomatischen Experiments zum Quantenschlüsselaustausch über Glasfasern in der sogenannten Time-bin-Implementierung mit autonomem Sender und Empfänger realisiert. Ein anderes Konzept der Quanteninformationsverarbeitung ist die Herstellung zufälliger Bitfolgen durch den Quantenzufall. Zufällige Bitfolgen haben zahlreiche Anwendungsgebiete in der Kryptografie und der Informatik. Die Realisierung eines Quantenzufallszahlengenerators mit mathematisch beschreibbarer und getesteter Zufälligkeit und hoher Bitrate wird ebenfalls beschrieben. / In this thesis, photonic quantum states are used for experimental realisations of two different concepts of quantum information processing. Quantum key distribution (QKD) is revolutionary because it is the only cryptographic scheme offering unconditional security. Two major problems prevail: Firstly, matching the conditions for unconditional security is challenging, secondly, long distance communication beyond 200 km is very demanding because an increasingly attenuated quantum state starts to fail the competition with constant noise. One experiment accomplished in this thesis is concerned with the first problem. The realisation of the actual quantum state is critical. Single photon states from nitrogen and for the first time also silicon vacancy defect centres are used for a QKD transmission under the BB84 (Bennett and Brassard 1984). The deviation of the used single photon states from the ideal state is thoroughly investigated and the information an eavesdropper obtains due to this deviation is analysed. Transmitting quantum states via satellites is a potential solution to the limited achievable distances in QKD. A novel protocol particularly suited for this is implemented for the first time in this thesis, the frequency-time (FT) protocol. The protocol is thoroughly investigated by varying the experimental parameters over a wide range and by evaluating the impact on the performance and the security. Finally, big steps towards a fully automated fibre-based BB84 QKD experiment in the time-bin implementation with autonomous sender and receiver units are accomplished. Another important concept using quantum mechanical properties as a resource is a quantum random number generator (QRNG). Random numbers are used for various applications in computing and cryptography. A QRNG supplying bits with high and quantifiable randomness at a record-breaking rate is reported and the statistical properties of the random output is thoroughly tested.