The no-cloning theorem is one of the fundamental concepts of quantum information theory. It tells us that no general quantum state can be perfectly replicated. In this thesis we introduce the notion of imperfect cloning, and define the properties of the universal cloning machine. Furthermore, we construct an ansatz of how our universal cloning machine should perform as to produce two imperfect clones from one input qubit. We find an optimal fidelity of 5/6 for our universal cloning machine. We then reevaluate our ansatz and construct a class of unitary transformations such that an optimal fidelity is always achieved. Lastly, we present an overview of some applications of imperfect quantum cloning in the field of quantum information.

Cette thèse présente le travail de conception, de fabrication et de test d'un processor à 4 qubits Josephson, avec un souci d’évolutivité. Les qubits ont une fréquence réglable et sont tous couplés à un unique bus de couplage, afin d’implémenter la porte à deux qubits iSWAP, sur n’importe quelle paire d'entre eux. Chaque qubit est aussi équipé d’un amplificateur Josephson à bifurcation (JBA). Le principe du processeur, le choix des paramètres, le design micro-onde ainsi que la fabrication sont décrits. Une première expérience montre la lecture simultanée, haute-fidélité et en un coup de tous les qubits, par une technique de multiplexage fréquentiel des signaux de lecture. Une seconde teste la fidélité de la porte à deux qubits iSWAP, qui apparait limitée par la décohérence intrinsèque des qubits. / This thesis presents our effort to design, fabricate and test a simple 4-Josephson qubit processor with scalability potential. The qubits are frequency tunable and are coupled to a shared coupling bus able to implement iSwap two-qubit gates on any pair of qubits. Each qubit is fitted with its own readout made of a Josephson bifurcation amplifier (JBA). The operation principle of the processor, the choice of parameters, the microwave layout design, as well as the fabrication processes are described. A first experiment demonstrates the simultaneous high-fidelity readout of all the qubits by frequency multiplexing of the JBA signals. A second one tests the two-qubit iSwap gate of the processor, the fidelity of which happens to be limited by the intrinsic qubit decoherence.

Cette thèse étudie l’électronique cryogénique et la réalisation de boîtes quantiques (QD) sur substrat SOI pour le calcul quantique. Deux technologies sont proposées pour la démonstration de boîtes quantiques d’électrons/trous. La première s’appuie sur les dispositifs Trigate SOI développés au CEA-LETI et la seconde exploite la technologie FD-SOI 28nm développée par STMicroelectronics. Dans un premier temps, les dispositifs à double-grille du LETI sont mesurés à très basse température (60mK) pour mettre en avant le principe d’exclusion de Pauli pour les premiers trous confinés à l’intérieur des deux QD. Au travers de cette expérience réalisée sur un double QD nous étudions une brique élémentaire permettant à terme l’initialisation et la lecture d’un qubit. Cette expérience a par la suite été étendue à d’autres dispositifs possédant quatre grilles pour lesquels un protocole de mesure est proposé pour la démonstration de deux qubits de spin d’électron. Dans un second temps, nous avons adressé la question du contrôle, de la lecture et de la manipulation des qubits de spin par une électronique pouvant fonctionner à basse température. Les performances digitales et analogiques des transistors FD-SOI ont été étudiées sur une large gamme de température. La réduction de la température montre une nette amélioration de la mobilité des électrons et des trous mais également une plus faible pente sous le seuil (SS) qui s’accompagne également d’une augmentation de la tension de seuil (Vth). La saturation de la SS pour les faibles températures est expliquée à l’aide d’un modèle analytique développé dans le cadre de cette thèse. En modélisant une queue étroite de densité d'états près des bords des bandes de conduction et de valence et en utilisant la statistique de Fermi-Dirac, un excellent accord est obtenu entre les mesures et le modèle. L’ajout d’une variation exponentielle dans la densité de pièges d’interface permet de reproduire l’évolution de la SS sur plus de 6 décades de courant. Par ailleurs, nous montrons que l’effet d’une polarisation face arrière qui permet d’ajuster la Vth des transistors FD-SOI pour viser des applications haute performance ou basse consommation fonctionne parfaitement à basse température. La modulation de la Vth reste la même de 300K à 4K pour les grandes et petites longueurs de grille des transistors NMOS/PMOS. Afin de tirer avantage de la technologie FD-SOI et d’évaluer son intérêt pour l’électronique cryogénique, nous avons caractérisé plusieurs oscillateurs en anneaux (RO) jusqu’à 4K. L’étude a été réalisée en deux temps. Dans un premier temps, l’augmentation de la Vth à basse température n’a pas été corrigée. Puis, cette augmentation de la Vth a été corrigée grâce à la polarisation face arrière afin de conserver la même Vth que celle mesurée à 300K. Afin de conserver les avantages tirés des plus fortes mobilités des porteurs à basse température, nous montrons que la Vth doit être corrigée pour réduire significativement le délai de commutation d’une chaine d’inverseurs. Nous montrons qu’à 4K un régime de fonctionnement optimal alliant à la fois haute performance et basse consommation peut être obtenu avec une tension d’alimentation (VDD) de 0.3V contre 1V à 300K. Cela permet de réduire de façon significative la dissipation statique et dynamique des RO. Un produit Energie-Délai de 6.9fJ.ps avec un délai par étage de 37ps sont obtenus à VDD = 0.325V grâce à l’utilisation de la polarisation face arrière. Pour finir, nous discutons de la dualité des transistors FD-SOI canal court qui peuvent être utilisés soit comme MOSFET ou comme transistors à électron unique. La présence de QD dans les transistors FDSOI est démontrée avec des caractéristiques proches de celles obtenues avec d’autres architectures (type nanofil) offrant ainsi des perspectives intéressantes pour une future co-intégration d’une électronique cryogénique avec des qubits de spin réalisés à partir d’une même plateforme industrielle. / This thesis studies cryogenic electronics and quantum dots on silicon-on-insulator (SOI) for quantum computing. Different types of electron and hole quantum dots are fabricated with Leti's SOI nanowire (NW) and planar 28nm FD-SOI technology. In the first part, Pauli Spin Blockade (PSB) is studied for the first holes down to 60mK. We show that it is governed by a strong spin orbit coupling (SOC). The intradot relaxation rate of 120kHz was found for the first holes. The access barriers tunability realized with additional gates was proven to be efficient regarding the isolation of qubit from source/drain metallic leads. Following the recent demonstration of electron-dipole spin resonance (EDSR) achieved in electron quantum dots confined in the corners of silicon nanowire (CDs), we deeply investigated quantum dots in several multi-gate samples under different body-biasing conditions. Based on preliminary cryogenic transport measurements, an operation protocol for a compact two electron spin qubit gate has been proposed.Regarding cryogenic electronics required for an efficient control, manipulation and read-out of a large number of qubits, the low temperature digital and analog performance of 28nm FD-SOI MOSFETs was analysed from room temperature down to 4K. Significant improvements in transistor performance are achieved with a clear enhancement of carrier mobility and a strong reduction of subthreshold swing (SS), even for short-channel devices with gate length down to 28nm. The saturation of the subthreshold swing at low temperature is explained with a new analytical model developed in this thesis. By introducing a narrow tail in the density of states at the edges of the conduction and valence bands and using the Fermi-Dirac statistics, an excellent agreement of SS is achieved between experiments and modelling. The analysis of the SS-IDS metric under different forward body-biasing (FBB) conditions has revealed that the increased density of interface traps cannot be responsible for the SS saturation at low temperature. By adding a slight exponential variation in the interface trap density, we show that the SS-IDS curve can be well reproduced over more than 6 decades, paving a way for an efficient cryogenic design of CryoCMOS.In a second time, cryogenic performance of Ring Oscillators (RO) down to 4K was investigated. We have shown that the optimal supply voltage can be reduced down to 0.3V. This allows to efficiently reduce the dynamic and static power dissipations. At the same time, a small Energy-Delay product of 6.9fJ.ps with a delay per stage of 37ps were achieved at VDD=0.325V under aggressive FBB.Finally, in the last chapter, the duality of short-channel FD-SOI transistors operation as FETs or SETs is demonstrated at 4K. By benchmarking the QDs with respect to the common silicon platforms, we show that 28nm FD-SOI technology has a great potential for both cryogenic electronics and qubits.

Research groups around the world are looking to develop a qubit protected from decoherence for achieving quantum advantage in computations. This would have huge impact on the modern world. The applications are many from drug development to cryptography and many more  elds. Indium-Arsenide Nanowires with an epitaxially matched thin  lm of lead grown with Select-Area-Growth could prove to be a platform for building scalable qubits. The work in this thesis is to create a device capable of measuring the superconductivity of the samples InAs-Pb grown at the Center for Quantum Devices, Niels Bohr Institute. The InAs semiconducting nanowires serves as one dimensional system that could host Majorana Zero Modes if coupled to a superconductor such as Pb. The MZMs emerges at the edges of the nanowires. The device created is a 4-probe device that should be used to measure the induced topological superconductivity inside the device. The project was able to such a device using electron beam lithography techniques and development of the fabrication process of InAs-Pb SAG NW Devices was furthered.

La mécanique quantique affiche déjà toute son étrangeté en considérant l’équation de Schrödingerdans un puits de potentiel à une dimension. L’effet tunnel qui en résulte, en est un exemple frappant.La possibilité de récréer cette situation dans un système matériel est un enjeu excitant et un grandpas vers le contrôle des effets quantiques.Le confinement spatial des spins électroniques a été suggéré comme une approche possible pour laréalisation d’un ordinateur quantique. Chaque spin formant un système à deux niveaux pouvant coderune bit élémentaire pour l’information quantique (spin qubit). Cette proposition par Loss etDiVincenzo a contribué à l’ouverture d’un domaine de recherche important dénommé spintroniquequantique. L’intérêt des qubits de spin s’appuie sur le fait que les états de spin ont des temps decohérence beaucoup plus long que les qubits de charge (états orbitaux).Un potentiel de confinement de spin peut être créé de différentes façons, comme par exemple enutilisant l’alignement des bandes d’énergies de semi-conducteurs de différentes natures. Cependant,les dimensions spatiales du système obtenu doivent toujours être inférieures à la longueur decohérence de phase des quasi-particules considérées afin de préserver leur comportement quantique.Jusqu’à présent, la plupart des progrès ont été réalisés en utilisant des hétérostructures semiconductricesà base d’arséniure de Gallium(GaAs). Dans de tels systèmes, lemouvement des porteursde charges est limité à un plan bidimensionnel et le confinement latéral peut être obtenu par destechniques de lithographie. De cette façon, des systèmes quasi-zéro-dimensionnels dont les étatsélectroniques sont parfaitement quantifiés (boîtes quantiques), sont réalisés.Diverses techniques utilisant des signaux hautes fréquences ont permis de manipuler et lire l’état despin de tels boîtes quantiques de GaAs et, il y a quelques années, les premiers qubits de spin ont étédémontrés. Cependant, ces systèmes ont montré des temps de cohérence relativement courts enraison de l’interaction hyperfine avec les spins nucléaires. En dépit de progrès significatifs sur lecontrôle de la polarisation, ce problème n’est toujours pas résolu.Au cours de ces dernières années, un effort croissant s’est donc concentré sur des systèmes à base dematériaux alternatifs pour lesquels l’interaction hyperfine est naturellement absente ou rendue trèsfaible par des techniques de purification. Même si le Silicium, qui est le matériau de base enmicroélectronique, remplit cette condition, il souffre d’une faible mobilité par rapport aux semiconducteursIII-V, ce qui pose problème pour la spintronique quantique. Les structures à base Silicium-Germanium (SiGe) offrent un moyen de contourner ce problème tout en gardant un matériaucompatible avec les procédés de fabrication standards.Durant mon travail de thèse, je me suis concentrée principalement sur l’étude des propriétésélectroniques d’îlots auto-assemblés (nanocristaux) de SiGe. Le manuscrit de thèse qui relate lesprincipaux aspects de cette étude est organisé en six chapitres. Dans le premier chapitre, je décris lesprincipaux concepts de la croissance cristalline d’îlots auto-assemblés de SiGe ainsi que les propriétésdu potentiel de confinement qu’ils définissent. Le chapitre 2 est consacré aux principes du transportélectronique dans de telles structures. Le chapitre 3 traite de la modulation électrique du facteur deLandé (g) des trous confinés dans les îlots en vu de la manipulation rapide des états de spin. Dans lechapitre 4, je présente les résultats théoriques et expérimentaux relatifs à la sélectivité en spin dansles nanocristaux de SiGe. Le chapitre 5 décrit les résultats sur la réalisation d’une pompe électroniqueobtenue à partir de nanofils d’InAs/InP. Enfin, le chapitre 6montre les progrès technologiques que j’aiobtenus vers la réalisation et l´étude de dispositifs couplés à base de nanocristaux de SiGe. / Quantum mechanics displays all its exciting strangeness already by considering the Schrödingerequation in a one-dimensional square well potential; tunnelling events put this statement in evidence.To recreate this situation in a given material system is an inspiring playground and a big step towardstaking control of quantum mechanisms. For instance, it is now possible to confine electrons in solidstatedevices enabling amore efficient solar-cell technology. Confining individual electron spins has infact been suggested as a possible approach to the realization of a quantum computer. Each electronspin forms a natural two-level systems encoding an elementary bit of quantum information (a socalledspin qubit). This proposal, by Loss and DiVincenzo, has contributed to the opening of an activeresearch field referred to as quantum spintronics. Spin qubits rely on the fact that spin states canpreserve their coherence on much longer time scales than charge (i.e. orbital) states.A confinement potential can be created artificially in many different ways; producing constantmagnetic fields and spatially inhomogeneous electric fields, applying oscillating electric fields, usingconductive oxide layers, etc. To take advantage of the band-alignment of different semiconductors isamong these. The relevant dimensions of the considered system should still be smaller than the phasecoherence length of the confined particles in order that their quantum behaviour is preserved.So far, most of the progress has been achieved using GaAs-based semiconductor heterostructures. Insuch layered systems themotion of carriers is confined to a plane and further confinement is achievedbymeans of lithographic techniques, which allow lateral confinement to be achieved on a sub-100 nmlength scale. In this way, quasi-zero-dimensional systems whose electronic states are completelyquantized, i.e. quantum dots (QDs), can be devised.Various time-resolved techniques involving high-frequency electrical signals have been developed tomanipulate and read-out the spin state of confined electrons in GaAs QDs, and several years ago thefirst spin qubits were reported. In GaAs-based QDs, however, the quantum coherence of electronspins is lost on relatively short time scales due to the hyperfine interactionwith the nuclear spins (bothGa and As have non-zero nuclear spin moments). In spite of significant advances on controlling thenuclear polarization [3, 4], this problem remains unsolved.In the past few years an increasing effort is concentrating on alternative material systems in whichhyperfine interaction is naturally absent or at least very weak and, in principle, controllable by isotopepurification. While Si fulfils this requirement and it is the dominant material in modernmicroelectronics, it suffers from low mobility compared to III-V semiconductors, which obstructs itsapplication for quantum spintronics. SiGe structures offer a way to circumvent this problem that isstill compatible with standard silicon processes.I have focused mainly on the study of the electronic properties of SiGe self-assembled islands, alsocalled SiGe nanocrystals. This work, which condensates the main points of this study, is organized insix chapters. In the first chapter, I describe the basics of the growth of SiGe self-assembled islands andthe properties of the quasi-zero-dimensional confinement potential that they define. Chapter 2 isdevoted to the basics of electronic transport in these structures. Chapter 3 deals with the electricmodulation of the hole g-factor in SiGe islands, which would enable a fast manipulation of the spinstates. In Chapter 4 I present theoretical and experimental findings related to spin selectivity in SiGeQDs and Chapter 5 is dedicated to the realization of an electron pump in InAs nanowires based on thiseffect. Finally, Chapter 6 exhibits our progress towards the study of coupled SiGe QD devices.

[Mathematical symbols can be only approximated here. For the correct display see the Abstract in the PDF files linked below] This work has demonstrated that hyperfine decoherence times sufficiently long for QIP and quantum optics applications are achievable in rare earth ion centres. Prior to this work there were several QIP proposals using rare earth hyperfine states for long term coherent storage of optical interactions [1, 2, 3]. The very long T_1 (~weeks [4]) observed for rare-earth hyperfine transitions appears promising but hyperfine T_2s were only a few ms, comparable to rare earth optical transitions and therefore the usefulness of such proposals was doubtful. ¶ This work demonstrated an increase in hyperfine T_2 by a factor of 7 × 10^4 compared to the previously reported hyperfine T_2 for Pr^[3+]:Y_2SiO_5 through the application of static and dynamic magnetic field techniques. This increase in T_2 makes previous QIP proposals useful and provides the first solid state optically active Lamda system with very long hyperfine T_2 for quantum optics applications. ¶ The first technique employed the conventional wisdom of applying a small static magnetic field to minimise the superhyperfine interaction [5, 6, 7], as studied in chapter 4. This resulted in hyperfine transition T_2 an order of magnitude larger than the T_2 of optical transitions, ranging fro 5 to 10 ms. The increase in T_2 was not sufficient and consequently other approaches were required. ¶ Development of the critical point technique during this work was crucial to achieving further gains in T_2. The critical point technique is the application of a static magnetic field such that the Zeeman shift of the hyperfine transition of interest has no first order component, thereby nulling decohering magnetic interactions to first order. This technique also represents a global minimum for back action of the Y spin bath due to a change in the Pr spin state, allowing the assumption that the Pr ion is surrounded by a thermal bath. The critical point technique resulted in a dramatic increase of the hyperfine transition T_2 from ~10 ms to 860 ms. ¶ Satisfied that the optimal static magnetic field configuration for increasing T_2 had been achieved, dynamic magnetic field techniques, driving either the system of interest or spin bath were investigated. These techniques are broadly classed as Dynamic Decoherence Control (DDC) in the QIP community. The first DDC technique investigated was driving the Pr ion using a CPMG or Bang Bang decoupling pulse sequence. This significantly extended T_2 from 0.86 s to 70 s. This decoupling strategy has been extensively discussed for correcting phase errors in quantum computers [8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15], with this work being the first application to solid state systems. ¶ Magic Angle Line Narrowing was used to investigate driving the spin bath to increase T_2. This experiment resulted in T_2 increasing from 0.84 s to 1.12 s. Both dynamic techniques introduce a periodic condition on when QIP operation can be performed without the qubits participating in the operation accumulating phase errors relative to the qubits not involved in the operation. ¶ Without using the critical point technique Dynamic Decoherence Control techniques such as the Bang Bang decoupling sequence and MALN are not useful due to the sensitivity of the Pr ion to magnetic field fluctuations. Critical point and DDC techniques are mutually beneficial since the critical point is most effective at removing high frequency perturbations while DDC techniques remove the low frequency perturbations. A further benefit of using the critical point technique is it allows changing the coupling to the spin bath without changing the spin bath dynamics. This was useful for discerning whether the limits are inherent to the DDC technique or are due to experimental limitations. ¶ Solid state systems exhibiting long T_2 are typically very specialised systems, such as 29Si dopants in an isotopically pure 28Si and therefore spin free host lattice [16]. These systems rely on on the purity of their environment to achieve long T_2. Despite possessing a long T_2, the spin system remain inherently sensitive to magnetic field fluctuations. In contrast, this work has demonstrated that decoherence times, sufficiently long to rival any solid state system [16], are achievable when the spin of interest is surrounded by a concentrated spin bath. Using the critical point technique results in a hyperfine state that is inherently insensitive to small magnetic field perturbations and therefore more robust for QIP applications.

A simplified model of a double quantum dot is presented and analyzed, with applications to spin-qubit quantum computation. The ability to trap single electrons in semiconductor nanostructures has led to the proposal of quantum computers with spin-based qubits coupled by the exchange interaction. Current theory predicts an exchange interaction with a -1 power-law dependence on the detuning ϵ, the energy offset between the two dots. However, experiment has shown a -3/2 power-law dependence on ϵ. Using WKB analysis, this thesis explores one possible source of the modified dependence, namely an ϵ-dependent tunnel coupling between the two wells. WKB quantization is used to find expressions for the tunnel coupling of a one-dimensional double-well, and these results are compared to the exact, numerical solutions, as determined by the finite difference method and the transfer matrix method. Small ϵ-dependent corrections to the tunnel coupling are observed. In typical cases, WKB correctly predicts a constant tunnel coupling at leading-order. WKB also predicts small ϵ-dependent corrections for typical cases and strongly ϵ-dependent tunnel couplings for certain exceptional cases. However, numerical simulations suggest that WKB is not accurate enough to analyze the small corrections, and is not valid in the exceptional cases. Deviations from the conventional form of the low-energy Hamiltonian for a double-well are also observed and discussed.

A simplified model of a double quantum dot is presented and analyzed, with applications to spin-qubit quantum computation. The ability to trap single electrons in semiconductor nanostructures has led to the proposal of quantum computers with spin-based qubits coupled by the exchange interaction. Current theory predicts an exchange interaction with a -1 power-law dependence on the detuning ϵ, the energy offset between the two dots. However, experiment has shown a -3/2 power-law dependence on ϵ. Using WKB analysis, this thesis explores one possible source of the modified dependence, namely an ϵ-dependent tunnel coupling between the two wells. WKB quantization is used to find expressions for the tunnel coupling of a one-dimensional double-well, and these results are compared to the exact, numerical solutions, as determined by the finite difference method and the transfer matrix method. Small ϵ-dependent corrections to the tunnel coupling are observed. In typical cases, WKB correctly predicts a constant tunnel coupling at leading-order. WKB also predicts small ϵ-dependent corrections for typical cases and strongly ϵ-dependent tunnel couplings for certain exceptional cases. However, numerical simulations suggest that WKB is not accurate enough to analyze the small corrections, and is not valid in the exceptional cases. Deviations from the conventional form of the low-energy Hamiltonian for a double-well are also observed and discussed.

Orientadores: Gilberto Medeiros Ribeiro e Jose Antonio Brum / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-11T11:01:49Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Alegre_ThiagoPedroMayer_D.pdf: 15787837 bytes, checksum: a41c0877b93a156734db9d614610e2f4 (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: Esta tese consistiu na proposição e implementação de um sistema para processamento de informação quântica, focando a instrumentação necessária. Os aspectos físicos da computação, como a energia associada, entropia de Shannon, entre outros conceitos básicos observados na perspectiva de física, foram revistos. Pontos quânticos semicondutores de InAs:GaAs foram eleitos como candidatos para a implementação física do sistema; em particular, focou-se no grau de liberdade de spin do elétron. Conseqüentemente, investigaram-se as propriedades de tensor-g dos elétrons aprisionados em pontos quânticos e o grau de polarização de spin, como função do campo magnético e da temperatura. Naturalmente, as propriedades eletrônicas, como o potencial de confinamento e as transições ópticas, foram caracterizadas e modeladas através da teoria de massa efetiva, assumindo-se um potencial de confinamento lateral parabólico. Dado que o grau de liberdade de spin foi eleito, construiu-se um sistema de medidas de ressonância paramagnética de spins. Optou-se por não se utilizar sistemas comerciais padrão. Em lugar disto, foi projetada uma montagem conectorizada, onde o material semicondutor se encontra dentro de umchip desenhado para concentrar o campo magnético de microonda sobre o dispositivo, campo este necessário para a realização de ressonância paramagnética. O chip consistiu basicamente de uma cavidade de microfita de meia onda. Foi construída também uma cavidade com duas entradas, permitindo o controle arbitrário da polarização aplicada à amostra. Finalmente, a leitura de estados quânticos de spin em centros paramagnéticos é demonstrada através de detecção óptica. A alta sensibilidade desse tipo de detecção permite que um único defeito seja mapeado. A seletividade, tanto do ponto de vista das transições ópticas quanto das transições de spin, é estudada e manipulada, utilizando-se da montagem experimental de cavidades ressonantes. Adicionalmente, perspectivas de experimentos sobre a integração e utilidade do sistema são apresentados / Abstract: This thesis proposes and implements a system for quantum information processing, focusing primarily on the associated instrumentation. The basic physical aspects for computation, such as the associated energy and Shannon's entropy, were revisited. InAs:GaAs quantum dots were elected as the physical system of choice for this implementation; in particular, the spin degree of freedom of the trapped electrons was utilized. Therefore, the electronic properties of the quantum dots, as well the g-tensor and the polarization degree, were investigated as a function of the temperature and magnetic field. It was possible to describe the electronic properties within the effective mass formalism, assuming a parabolic lateral confinement. Since the spin degree of freedom was elected as the basis for the quantum computation, a system for spin paramagnetic resonance was devised. The choice for not using a commercial system was made. Instead, a connectorized setup was designed, permitting the semiconductor material to be within a chip, and additionally allowing for focusing the microwave magnetic field above the device. Basically, this chip consisted of a half-wavelength microstrip cavity. A second microstrip cavity with two input ports was also designed to allow the arbitrary control of microwave polarization delivered to the sample. Finally, the quantum state read-out was demonstrated through an optical technique on Nitrogen-Vacancy complexes in diamond. The high sensitivity of the system allows for single spin detection. The selectivity for the optical and spin transitions was characterized and manipulated, using the resonant cavity experimental setup. As a perspective, experiments exploring integration issues on the system are shown / Doutorado / Física da Matéria Condensada / Doutor em Ciências

L'électrodynamique quantique en circuit est une architecture prometteuse pour le calcul quantique ainsi que pour étudier l'optique quantique. Dans cette architecture, on couple un ou plusieurs qubits supraconducteurs jouant le rôle d'atomes à un ou plusieurs résonateurs jouant le rôle de cavités optiques. Dans cette thèse, j'étudie l'interaction entre un seul qubit supraconducteur et un seul résonateur, en permettant cependant au qubit d'avoir plus de deux niveaux et au résonateur d'avoir une non-linéarité Kerr. Je m'intéresse particulièrement à la lecture de l'état du qubit et à son amélioration, à la rétroaction du processus de mesure sur le qubit de même qu'à l'étude des propriétés quantiques du résonateur à l'aide du qubit. J'utilise pour ce faire un modèle analytique réduit que je développe à partir de la description complète du système en utilisant principalement des transformations unitaires et une élimination adiabatique. J'utilise aussi une librairie de calcul numérique maison permettant de simuler efficacement l'évolution du système complet. Je compare les prédictions du modèle analytique réduit et les résultats de simulations numériques à des résultats expérimentaux obtenus par l'équipe de quantronique du CEASaclay. Ces résultats sont ceux d'une spectroscopie d'un qubit supraconducteur couplé à un résonateur non linéaire excité. Dans un régime de faible puissance de spectroscopie le modèle réduit prédit correctement la position et la largeur de la raie. La position de la raie subit les décalages de Lamb et de Stark, et sa largeur est dominée par un déphasage induit par le processus de mesure. Je montre que, pour les paramètres typiques de l'électrodynamique quantique en circuit, un accord quantitatif requiert un modèle en réponse non linéaire du champ intra-résonateur, tel que celui développé. Dans un régime de forte puissance de spectroscopie, des bandes latérales apparaissent et sont causées par les fluctuations quantiques du champ électromagnétique intra-résonateur autour de sa valeur d'équilibre. Ces fluctuations sont causées par la compression du champ électromagnétique due à la non-linéarité du résonateur, et l'observation de leur effet via la spectroscopie d'un qubit constitue une première. Suite aux succès quantitatifs du modèle réduit, je montre que deux régimes de paramètres améliorent marginalement la mesure dispersive d'un qubit avec un résonateur linéaire, et significativement une mesure par bifurcation avec un résonateur non linéaire. J'explique le fonctionnement d'une mesure de qubit dans un résonateur linéaire développée par une équipe expérimentale de l'Université de Yale. Cette mesure, qui utilise les non-linéarités induites par le qubit, a une haute fidélité, mais utilise une très haute puissance et est destructrice. Dans tous ces cas, la structure multi-niveaux du qubit s'avère cruciale pour la mesure. En suggérant des façons d'améliorer la mesure de qubits supraconducteurs, et en décrivant quantitativement la physique d'un système à plusieurs niveaux couplé à un résonateur non linéaire excité, les résultats présentés dans cette thèse sont pertinents autant pour l'utilisation de l'architecture d'électrodynamique quantique en circuit pour l'informatique quantique que pour l'optique quantique.