Les qubits de spin sont des candidats prometteurs pour le traitement de l’information quantique en raison de leurs longs temps de cohérence. Les deux principaux qubits présents dans un système à trois spins ont été démontré au cours des dernières années dans la boîte quantique latérale triple. Le diagramme des niveaux d’énergie de quelques électrons dans la boîte quantique triple est beaucoup plus complexe que son homologue à deux ou à une boîte. Il en résulte des possibilités de fuites hors des qubits ciblés. Dans ce mémoire, nous présenterons une nouvelles technologie pour améliorer le contrôle des états de spin et augmenter le temps de cohérence des qubits. Nous avons effectué des mesures préliminaires sur des échantillons sur lesquels a été incorporé un microaimant. Ce microaimant crée un champ magnétique non-uniforme au niveau des boîtes quantiques qui sera utilisé pour effectuer une rotation de spin et pour améliorer certains types d’oscillations. Nous avons optimisé la forme des géométries afin de créer des gradients de champ magnétique optimaux spécifiquement pour la boîte quantique triple. Différents problèmes ont été encourus et la stratégie que nous avons adoptée pour les régler sera présentée. De plus, nous avons analysé les phénomènes de fuites entre les états quantiques en étudiant la réponse d’un système à trois spins en fonction de différentes impulsions électriques. Nous présentons deux processus d’interférence jamais répertoriés entre les qubits de la boîte quantique triple. Afin d’identifier l’origine de ces interférences, nous avons utilisé leur dépendance en champ magnétique.

La communauté scientifique a réussi ces dernières années à bâtir des systèmes quantiques simples sur lesquels des séries de mesures sont acquises successivement le long de trajectoires quantiques et sans réinitialisation de l’état (opérateur densité) par l’expérimentateur.L’objet de cette thèse est d’adapter les méthodes de tomographie quantique (estimation d’état et de paramètres) à ce cadre pour prendre en compte la rétroaction de la mesure sur l’état, la décohérence et les imperfections expérimentales.Durant le processus de mesure, l’évolution de l’état quantique est alors gouvernée par un processus de Markov à états cachés (filtres quantiques de Belavkin). Pour des mesuresen temps continu, nous commençons par montrer comment discrétiser l’équation maîtresse stochastique tout en préservant la positivité et la trace de l’état quantique, et ainsi sera mener aux filtres quantiques en temps discret. Ensuite, nous développons, à partir de trajectoires de mesures en temps discret, des techniques d’estimation par maximum de vraisemblance pour l’état initial et les paramètres. Cette estimation est accompagnée de son intervalle de confiance. Lorsqu’elle concerne des valeurs de paramètres (tomographie de processus quantique), nous donnons un résultat de robustesse grâce au formalisme des filtres particulaires et nous proposons une méthode de maximisation fondée sur le calcul du gradient par l’adjoint et bien adaptée au cas multiparamétrique. Lorsque l’estimation porte sur l’état initial (tomographie d’état quantique), nous donnons une formulation explicite de la fonction de vraisemblance grâce aux états adjoints, montrons que son logarithme est une fonction concave de l’état initial et élaborons une expression intrinsèque de la variance grâce à des développements asymptotiques de moyennes bayésiennes et reposant sur la géométrie de l’espace des opérateurs densité.Ces méthodes d’estimation ont été appliquées et validées expérimentalement pour deux types de mesures quantiques : des mesures en temps discret non destructives de photons dans le groupe d’électrodynamique quantique en cavité du LKB au Collège de France, des mesures diffusives de la fluorescence d’un qubit supraconducteur dans le groupe d’électronique quantique du LPA à l’ENS Paris. / In recent years, the scientifical community has succeeded in experimentally building simple quantum systems on which series of measurements are successively acquired along quantum trajectories, without any reinitialization of their state (density operator) by the physicist. The subject of this thesis is to adapt the quantum tomography techniques (state and parameters estimation) to this frame, in order to take into account the feedback of the measurement on the state, the decoherence and experimental imperfections.During the measurement process, the evolution of the quantum state is then governed by a hidden-state Markov process (Belavkin quantum filters). Concerning continuous-time measurements, we begin by showing how to discretize the stochastic master equation, while preserving the positivity and the trace of the quantum state, and so reducing to discrete-time quantum filters. Then, we develop,starting from trajectories of discrete-time measurements, some maximum-likelihood estimation techniques for initial state and parameters. This estimation is coupled with its confidence interval. When it concerns the value of parameters (quantum process tomography), we provide a result of robustness using the formalism of particular filters, and we propose a maximization technique based on the calculus of gradient by adjoint method, which is well adapted to the multi-parametric case. When the estimation concerns the initial state (quantum state tomography), we give an explicit formulation of the likelihood function thanks to the adjoint states, show that its logarithm is a concave function of the initial state and build an intrinsic expression of the variance, obtained from asymptotic developments of Bayesian means, lying on the geometry of the space of density operators.These estimation techniques have been applied and experimentally validated for two types of quantum measurements: discrete-time non-destructive measurements of photons in the group of cavity quantum electro-dynamics of LKB at Collège de France, diffusive measurements of the fluorescence of a supra-conducting qubit in the quantum electronics group of LPA at ENS Paris.

Nous avons étudié la dynamique des sauts quantiques de phase (quantum phase-slips) dans différents types de chaînes de jonctions Josephson. Les sauts de phase sont contrôlés par le rapport entre l'énergie Josephson et l'énergie de charge de chaque jonction. Nous avons mesuré l'effet des sauts de phase sur l'état fondamental de la chaîne et nous avons observé l'interférence quantique de sauts de phase (effet Aharonov-Casher). Les résultats de nos mesures sont en très bon accord avec les prédictions théoriques. Nous avons montré qu'une chaîne de jonctions Josephson polarisée en phase, présente un comportement collectif, similaire à un objet macroscopique. Les résultats de cette thèse ouvrent la voie pour la conception de nouveaux circuits Josephson, comme par exemple un qubit topologiquement protégé ou un dispositif quantique pour la conversion courant-fréquence. / In this thesis we presented detailed measurements of quantum phase-slips in Josephson junction chains. The measured phase-slips are the result of fluctuations induced by the finite charging energy of each junction. Our experimental results can be fitted in very good agreement by considering a simple tight-binding model for QPS. We have shown that under phase-bias, a chain of Josephson junctions or rhombi can behave in a collective way very similar to a single macroscopic quantum object. These results open the way for possible use of quantum phase-slips for the design of novel Josephson junction circuits, such as topologically protected rhombi qubits or current-to-frequency conversion devices.

Microelectronics has shaped the world beyond what was thought possible at the time of its advent. One area of current research in this field is on the solid-state Si:P-based quantum computer (QC). In this machine, each qubit requires an individually addressed fast control-pulse for non-adiabatic drive and measure operations. Additionally, it is increasingly becoming important to be able to interface nanoelectronics with complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) technology. In this work, I have designed and demonstrated full-custom mixed-mode and full-digital fast control-pulse generators fabricated in a silicon-on-sapphire (SOS) CMOS commercial foundry process ?? a radio-frequency (RF) CMOS technology. These circuits are, fundamentally, fast monostable multivibrators. Initially, after the design specifications were decided upon, I characterized NFET and PFET devices and a n+-diffusion resistor from 500 nm and 250 nm commercial SOS-CMOS processes. Measuring their conductance curves at 300 300 K, 4.2 2 K, and sub-K (30 30 mK base to 1000 1000 mK) showed that they function with desirable behaviour although exhibiting some deviations from their 300 300 K characteristics. The mixed-mode first generation control-pulse generator was demonstrated showing that it produced dwell-time adjustable pulses with 100 100 ps rise-times at 300 K, 4.2 2 K, and sub-K with a power dissipation of 12 12 uW at 100 100 MHz. The full-digital second generation control-pulse generator was demonstrated showing accurately adjustable dwell-times settable via a control-word streamed synchronously to a shift-register. The design was based on a ripple-counter with provisions for internal or external clocking. This research has demonstrated that SOS-CMOS technology is highly feasible for the fabrication of control microelectronics for a Si:P-based QC. I have demonstrated full-custom SOS-CMOS mixed-mode and full-digital control circuits at 300 300 K, 4.2 2 K, and sub-K which suitable for qubit control.

Microelectronics has shaped the world beyond what was thought possible at the time of its advent. One area of current research in this field is on the solid-state Si:P-based quantum computer (QC). In this machine, each qubit requires an individually addressed fast control-pulse for non-adiabatic drive and measure operations. Additionally, it is increasingly becoming important to be able to interface nanoelectronics with complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) technology. In this work, I have designed and demonstrated full-custom mixed-mode and full-digital fast control-pulse generators fabricated in a silicon-on-sapphire (SOS) CMOS commercial foundry process ?? a radio-frequency (RF) CMOS technology. These circuits are, fundamentally, fast monostable multivibrators. Initially, after the design specifications were decided upon, I characterized NFET and PFET devices and a n+-diffusion resistor from 500 nm and 250 nm commercial SOS-CMOS processes. Measuring their conductance curves at 300 300 K, 4.2 2 K, and sub-K (30 30 mK base to 1000 1000 mK) showed that they function with desirable behaviour although exhibiting some deviations from their 300 300 K characteristics. The mixed-mode first generation control-pulse generator was demonstrated showing that it produced dwell-time adjustable pulses with 100 100 ps rise-times at 300 K, 4.2 2 K, and sub-K with a power dissipation of 12 12 uW at 100 100 MHz. The full-digital second generation control-pulse generator was demonstrated showing accurately adjustable dwell-times settable via a control-word streamed synchronously to a shift-register. The design was based on a ripple-counter with provisions for internal or external clocking. This research has demonstrated that SOS-CMOS technology is highly feasible for the fabrication of control microelectronics for a Si:P-based QC. I have demonstrated full-custom SOS-CMOS mixed-mode and full-digital control circuits at 300 300 K, 4.2 2 K, and sub-K which suitable for qubit control.

Dans cette thèse, nous étudions des circuits de boîtes quantiques à base de nanotubes de carbone intégrés dans une cavité micro-onde. Cette architecture générale permet de sonder le circuit en utilisant simultanément des mesures de transport et des techniques propre au domaine de l’Electrodynamique quantique sur circuit. Les deux expériences réalisées durant cette thèse exploitent la capacité des métaux de contact à induire des corrélations de spins dans les boites quantiques. La première expérience est l’étude d’une lame s´séparatrice à paires de Cooper, initialement imaginée comme une source d’électrons intriqués. Le couplage du circuit aux photons dans la cavité permet de sonder la dynamique interne du circuit, et a permis d’observer des transitions de charge habillées par le processus de séparation des paires de Cooper. Le couplage fort entre une transition de charge dans un circuit de boîtes quantiques et des photons en cavité, a été observée pour la première fois dans ce circuit. Une nouvelle technique de fabrication a aussi été développé pour intégrer un nanotube de carbone cristallin au sein du circuit de boîtes quantiques. La pureté et l’accordabilité de cette nouvelle génération de circuit a rendu possible la seconde expérience. Cette dernière utilise deux vannes de spins non colinéaire afin de produire une interface cohérente entre le spin d’un électron dans une double boite quantique, et un photon dans une cavité. Des transitions de spins très cohérentes ont été observée, et nous donnons un modèle sur l’origine de la décohérence du spin comprenant le bruit en charge et les fluctuations des spins nucléaires. / In this thesis, we study carbon nanotubes based quantum dot circuits embedded in a microwave cavity. This general architecture allows one to simultaneously probe the circuit via quantum transport measurements and using circuit quantum electrodynamics techniques. The two experiments realized in this thesis use metallic contacts of the circuit as a resource to engineer a spin sensitive spectrum in the quantum dots. The first one is a Cooper pair splitter which was originally proposed as a source of non local entangled electrons. By using cavity photons as a probe of the circuit internal dynamics, we observed a charge transition dressed by coherent Cooper pair splitting. Strong charge-photon coupling in a quantum dot circuit was demonstrated for the first time in such a circuit. A new fabrication technique has also been developed to integrate pristine carbon nanotubes inside quantum dot circuits. The purity and tunability of this new generation of devices has made possible the realization of the second experiment. In the latter, we uses two non-collinear spin-valves to create a coherent interface between an electronic spin in a double quantum dot and a photon in a cavity. Highly coherent spin transitions have been observed. We provide a model for the decoherence based on charge noise and nuclear spin fluctuations.

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Spin properties of donor impurities in silicon have been investigated by electron spin resonance (ESR) techniques for more than sixty years. These studies gave us a contribution towards understanding some of the physics of doped semiconductor materials in general, which is the platform for much of our current technology. Despite the fact that donor electron and nuclear spins have been researched for so long, ESR studies of their properties are still giving us interesting insights. With the introduction of the concept of quantum information in the 1980s, some properties of donor spins in silicon, that were known from the fifties (such as long relaxations), have been reinterpreted for their potential application in this field. Since then, incredible experimental results have been achieved with magnetic resonance control, including manipulation and read-out of individual spins. However, some open questions are still to be answered before the realisation of a spin-based silicon quantum architecture will be achieved. Currently, ESR studies still contribute to help answering some of those questions. In this thesis, we demonstrate electrical and optical methods for donor charge state manipulation measured by ESR. Recent experiments have demonstrated that coherence time of nuclear spins may be enhanced by manipulating the state of donors from neutral to singly charged. We investigate electric field ionisation/neutralisation of arsenic donors in a silicon SOI device measured by ESR. Below ionisation threshold, we also measure the hyperfine Stark shift of arsenic donors spins in silicon. These results have, for instance, implications on how fast individual addressability of donor spins may be achieved in certain quantum computer architectures. Here, we also study optical-driven charge state manipulation of selenium impurities in silicon. Selenium has two additional electrons when it replaces an atom in the silicon crystal (i.e. double donor). The electronic properties of singly-ionised selenium make it potentially advantageous as spin qubit, compared to the more commonly studied group-V donors. For instance, we find here that the electron spin relaxation and coherence times of selenium are up to two orders of magnitude longer than phosphorus at the same temperature. Finally, we demonstrate that it is possible to bring selenium impurity in singly-charged state and subsequently re-neutralise them leaving a potential long-lived ⁷⁷Se nuclear spin.

Une étude théorique que nous avons menée prédit qu'un SQUID-DC, ayant un facteur de qualité égal à 100 dans son régime d'effet tunnel macroscopique, permet une mesure quantique en un coup l'état de charge d'un qubit avec une erreur de l'ordre de 2%. Ce travail de thèse s'inscrit donc dans l'étude et le développement expérimental d'un système de mesure quantIque d'un SQUID. Nous avons étudié la dynamique d'échappement de l'état de tension nulle d'un SQUID-DC inductif en fonction du flux et de la température. Nous avons mis en évidence le régime d'effet tunnel macroscopique et d'activation thermique, dans le cadre de l'échappement d'une particule fictive métastable d'un potentiel bi-dimensionnel. Le temps de vie de l'état de tension nulle d'un SQUID dans son régime d'activation thermique a été mesuré dans la gamme des nano-secondes grâce à une technique d'impulsions en flux. L'utilisation d'impulsions micro-ondes a également permis de mesurer la fréquence plasma d'un SQUID par une technique d'activation résonante, et de mesurer un facteur de qualité de l'ordre de 100.

Un SQUID dc polarisé en courant se comporte comme une particule quantique piégée dans un puits de potentiel cubique-quadratique défini par sa fréquence de fond de puits et une barrière d'échappement finie. Le spectre d'énergie du système est quantifié ; la position des niveaux ainsi que leur temps de vie tunnel sont contrôlés par le courant de polarisation et le flux magnétique appliqué.<br /><br />Au cours de la thèse, l'analyse de l'échappement du fondamental par effet tunnel macroscopique (MQT) a permis de caractériser les bruits sur les paramètres de polarisation. Le MQT est aussi au coeur de la mesure de l'état du SQUID par impulsions de flux dc nanosecondes. L'observation d'une dynamique cohérente, excitée par des impulsions micro-onde résonantes, constitue une première étape vers la manipulation de l'état quantique du circuit. Enfin, les processus incohérents sont étudiés quantitativement dans la limite à deux niveaux, à travers des mesures de spectroscopie et de relaxation de l'énergie.