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 la dernière décennie, un important effort a été fait dans le domaine des conducteurs électroniques de basse dimensionnalité afin de réaliser une électronique à électrons uniques. Une idée particulièrement attractive étant de pouvoir contrôler complétement la phase d’un électron unique volant pour transporter et manipuler de l’information quantique dans le but de construire un qubit volant. L’injection contrôlée d’électrons uniques dans un système électronique bidimensionnel balistique peut être fait grâce à une source d’électrons uniques basée sur des pulses de tensions lorentziens sub-nanosecondes. Une telle source peut aussi être utilisée pour mettre en évidence de nouveaux phénomènes d’interférences électroniques. Lorsqu’un pulse de tension court est injecté dans un interféromètre électronique, de nouveaux effets d’interférences sont attendus du fait de l’interaction du pulse avec les électrons de la mer de Fermi. Pour la réalisation de cette expérience, il est important de connaître avec précision la vitesse de propagation du paquet d’onde électronique créé par le pulse.Dans cette thèse, nous présentons des mesures résolues en temps d’un pulse de tension court (<100 ps) injecté dans un fil quantique 1D formé dans gaz d’électron bidimensionnel qui nous ont permis de déterminer sa vitesse de propagation. Nous montrons que le pulse se propage bien plus vite que la vitesse de Fermi d’un système sans interaction. La vitesse de propagation est augmentée par les interactions électron-électron. Pour un fil quantique contenant un grand nombre de modes, la vitesse mesurée est en excellent accord avec la vitesse d’un plasmon dans un système 2D en présence de grilles métalliques. En modifiant le potentiel de confinement électrostatique et donc l’intensité des interactions, nous montrons qu’il est possible de contrôler la vitesse de propagation. Nous avons ensuite étudié un interféromètre électronique à deux chemins basé sur deux fils couplés par une barrière tunnel. Nos mesures préliminaires font ressortir une signature qui peut être attribuée à des oscillations tunnel cohérentes des électrons injectés dans ce système. Dans un future proche, cet interféromètre pourrait être utilisé pour mettre en évidence ces nouveaux effets spectaculaires dus à l’interaction du pulse avec les électrons de la mer de Fermi. / Over the past decade, an important effort has been made in the field of low dimensional electronic conductors towards single electron electronics with the goal to gain full control of the phase of a single electron in a solid-state system. A particular appealing idea is to use a single flying electron itself to carry and manipulate the quantum information, the so-called solid state flying qubit. On demand single electron injection into such a ballistic two-dimensional electron system can be realized by employing the recently developed single electron source based on sub-nanosecond lorentzian voltage pulses. Such a source could also be used to reveal interesting new physics. When a short voltage pulse is injected in an electronic interferometer, novel interference effects are expected due to the interference of the pulse with the surrounding Fermi sea. For the realization of such experiments it is important to know with high accuracy the propagation velocity of the electron wave packet created by the pulse.In this thesis, we present time resolved measurements of a short voltage pulse (<100 ps) injected into a 1D quantum wire formed in a two-dimensional electron gas and determine its propagation speed. We show that the voltage pulse propagates much faster than the Fermi velocity of a non-interacting system. The propagation speed is enhanced due to electron interactions within the quantum wire. For a quantum wire containing a large number of modes, the measured propagation velocity agrees very well with the 2D plasmon velocity for a gated two-dimensional electron gas. Increasing the confinement potential allows to control the strength of the electron interactions and hence the propagation speed. We then have studied an electronic two-path interferometer based on two tunnel-coupled wires. Our preliminary measurements show a signature that can be attributed to the coherent tunneling of the electrons injected into this system. In the near future, this system could be used to reveal these new striking effects due to the interaction of the voltage pulse with the Fermi sea.