Les états de bord sont des canaux de transport unidimensionnels qui se développent dans des puits quantiques en régime d'Effet Hall entier, avec de remarquables propriétés de chiralité et de cohérence quantique. Dans cette thèse nous présentons l'idée d'une manipulation de courants électroniques mettant en jeu le mélange de deux canaux de bord co-propageants, et nous discutons son impact potentiel pour l'interférométrie quantique et le transport de qubits de spin. Nous présentons les caractéristiques des états de bord et évaluons l'effet de potentiels locaux et non-adiabatiques, et de leur efficacité pour transférer la charge entre les deux canaux. Il est montré que des variations rapides du potentiel, d'amplitude plus petite que le gap de Landau, donnent lieu à un faible mélange, et nous identifions des stratégies expérimentales permettant d'atteindre un bon pourcentage de mélange. Nous développons des techniques de simulation numérique afin de modéliser de expériences qui mettent en jeu des canaux avec mélange, ainsi que des méthodes analytiques permettant de traiter les interactions coulombiennes entre états de bord, en vue de futures expériences d'interférométrie de spin.

Ces dernières années, de considérables efforts expérimentaux ont été dévoués au développement d’outils de nanoélectronique quantique, dans le but d’atteindre un niveau de contrôle sur le transport électronique quantique à l’échelle de l’électron unique. Ces avancées ont poussé à un changement de paradigme dans le domaine du transport électronique cohérent et donné naissance à l’optique quantique électronique, domaine dans lequel cette thèse s’inscrit. Cette thèse est consacrée à deux problématiques. Tout d’abord, elle s’intéresse au problème des interactions Coulombiennes entre électrons, qui donnent lieu à un phénomène de décohérence qu’il est nécessaire de caractériser et de prédire au mieux afin de le contrôler. En utilisant une approche analytique et numérique, il a été possible de prédire l’effet de ces interactions sur un système expérimentalement accessible, prédiction qui a ensuite été confirmée par l’expérience. Dans la foulée de ce résultat, cette thèse présente des possibilités de contrôle de ces interactions, et propose un moyen de les mettre en œuvre qui devrait pouvoir être testé dans une expérience. Je me suis également confronté à la problématique de la caractérisation d’états quantiques complexes. En particulier, suite à la démonstration expérimentale d’un protocole de tomographie pour des états mono-électroniques, je me suis tourné vers l’extension de ce protocole à des états plus complexes, pouvant exhiber des propriétés de cohérence à deux électrons, voire plus. Ces états étant également sensibles aux interactions de Coulomb, une extension au cas multi-électronique des outils utilisés pour traiter ces interactions est proposée dans cette thèse. / Over the last few years, extensive experimental efforts have been devoted to thedevelopment of quantum nanoelectronics tools aiming at controlling electronic trans-port down to the single electron level. These advances led to a paradigm shift inthe domain of coherent electronic transport, giving birth to electron quantum optics,which is the domain of this work.This manuscript is devoted to two problems. The first of these is the one ofCoulomb interactions between electrons, which lead to a decoherence phenomenonthat must be characterized and predicted in order to be controlled. Using an analyt-ical and numerical approach, it became possible to predict the effect of interactionson an experimentally relevant system, a prediction that was then confirmed in the ex-periment. After this result, this manuscript displays some ideas aiming at controllinginteractions and proposes some ways to test them experimentally.In this work, I also took on the problem of characterizing complex quantum states.In particular, following the experimental demonstration of a tomography protocol forfirst order coherences, I tried to extend this protocol to more complex states thatcould exhibit two-electron coherences, or more. These states being also sensitive to Coulomb interactions, an extension of the tools used to treat interactions to thismulti-electronic state is also presented in this work.

Les expériences de physique quantique ont atteint un niveau de contrôle permettant de préparer avec précision l'état quantique de nombreux systèmes physiques. Cela a mené à la naissance de l'optique quantique électronique, un sujet émergent qui vise à préparer, manipuler et caractériser l'état de courants électriques contenant quelques excitations électroniques se propageant dans un conducteur quantique ballistique. Ceci est un défi conséquent qui se heurte à la difficulté de caractériser un état quantique à N corps.Le sujet de cette thèse sera le développement de méthodes de traitement du signal quantique permettant d'accéder à une connaissance partielle d'un tel état pour des courants électriques quantiques. Une première méthode consiste à les analyser à nombre d'excitations fixé au travers des cohérences électroniques. Pour cela, nous élaborons une analyse de la cohérence à un électron en termes d'atomes de signaux électroniques. En combinant cela au protocole de tomographie par interférometrie HOM, nous présentons la première autopsie, fonction d'onde par fonction d'onde, d'un courant électrique quantique.Une autre approche consiste à examiner des indicateurs sondant directement l'état à N corps. Nous étudions le rayonnement émis par un conducteur quantique ainsi que la décohérence électronique d'une excitation à un électron. Ensuite nous analysons la distribution de probabilité de la chaleur dissipée par un système quantique mésoscopique. Dans ce cadre, nous développons une théorie de l'effet Joule en régime quantique et à explorons comment celle-ci pourrait permettre de sonder l'état à N corps / Quantum physics experiments have reached a level of precision and control that allows quantum state engineering for many systems. This has led to the birth of electron quantum optics, an emerging field which aims at generating, manipulating and characterizing quantum electrical currents built from few-electron excitations propagating within ballistic quantum conductors. This is challenging since it is generically impossible in practice to fully characterize the many-body state of a beam containing indistinguishable electrons. The thesis presents new quantum signal processing approaches for accessing, at least partially, to the quantum many-body state of quantum electrical currents.A first approach is to access such a state at few-particle levels through electronic coherences. We will thus present a new representation of single-electron coherence in terms of electronic "atoms of signal". Combining this signal processing algorithm to HOM tomography enables us to present the first autopsy, wavefunction by wavefunction, of an experimental electrical quantum current. Another method is to look for indicators giving information directly at the many-body level. We will investigate the radiation emitted by a quantum conductor and address the problem of decoherence of a general single-electron excitation. Finally, we will look at the heat deposited by a mesoscopic quantum system, leading to a quantum version of Joule heating and discuss how it gives an insight on the many-body state of the electron fluid

Dans mon mémoire de Thèse sont regroupés des résultats expérimentaux, centrés autour de la thématique de la cohérence quantique des électrons à très basse température, obtenus à partir de mesures très précises des corrections quantiques au transport classique dans les nanostructures métalliques. Nous avons tout d'abord étudié les effets de cohérence dans des réseaux de fils métalliques. Nous avons montré l'influence de la dimension du régime de diffusion sur la cohérence. En passant d'un conducteur macroscopique à un conducteur mésoscopique, on a observé un “crossover” dimensionnel pour l'amplitude des diverses corrections quantiques quand la longueur de cohérence de phase excède la taille typique du système, ce qui nous a permis de préciser exactement ce qu'est la moyenne d'ensemble en Physique Mésoscopique. Dans la deuxième partie de ce manuscrit, nous avons présenté des mesures du temps de cohérence de phase dans des fils métalliques contenant des impuretés magnétiques. Ces échantillons ont été fabriqués d'une fa¸con originale et contrôlée en utilisant une technologie nouvelle grâce à l'utilisation d'un faisceau d'ions focalisé. Nous avons mesuré un comportement universel sur 2 decades en temperature du déphasage par impuretés implantées, ceci étant la preuve que cette décohérence supplémentaire s'inscrit dans la Physique de l'effet Kondo. Nous avons montré que le taux de déphasage mesuré est en très bon accord avec de récents calculs du Groupe de Renormalisation Numérique. Plus particulièrement, nous avons montré de façon non équivoque que l'écrantage en dessous de TK induit une désaturation du temps de cohérence de phase linéaire en température jusqu'à 0, 1 TK.

Les états de bord sont des canaux de transport unidimensionnels qui se développent dans des puits quantiques en régime d'Effet Hall entier, avec de remarquables propriétés de chiralité et de cohérence quantique. Dans cette thèse nous présentons l'idée d'une manipulation de courants électroniques mettant en jeu le mélange de deux canaux de bord co-propageants, et nous discutons son impact potentiel pour l'interférométrie quantique et le transport de qubits de spin. Nous présentons les caractéristiques des états de bord et évaluons l'effet de potentiels locaux et non-adiabatiques, et de leur efficacité pour transférer la charge entre les deux canaux. Il est montré que des variations rapides du potentiel, d'amplitude plus petite que le gap de Landau, donnent lieu à un faible mélange, et nous identifions des stratégies expérimentales permettant d'atteindre un bon pourcentage de mélange. Nous développons des techniques de simulation numérique afin de modéliser de expériences qui mettent en jeu des canaux avec mélange, ainsi que des méthodes analytiques permettant de traiter les interactions coulombiennes entre états de bord, en vue de futures expériences d'interférométrie de spin. / Edge states are one-dimensional transport channels, emerging in quantum wells in the integer Quantum Hall regime, with remarkable properties of chirality and quantum coherence. In this thesis we present the idea of manipulating electronic currents mixed over two co-propagating edge channels, and discuss its potential impact for quantum interferometry and transport of spin-qubit states. We introduce the characteristics of edge states and evaluate the effect of local, non adiabatic potentials and their efficiency to transfer charge between two channels. We show that sharp potential variations whose energies are smaller than the Landau gap provide weak mixing, and we identify some experimental strategies that can achieve good mixing percentages. We develop numerical techniques of simulation to model existing experiments that employ mixed edge channels, and analytical methods in order to treat the effect of Coulomb interactions between edge states in a future spin-interferometry experiment.

Le verre de spin est une phase de la matière dans laquelle le désordre magnétique est gelé. Étant considéré comme un système modèle des verres en général, il a fait l'objet de nombreux travaux théoriques et expérimentaux. Les recherches ont convergé vers deux principales descriptions de l'état fondamental du système diamétralement opposées. D'une part, la solution « champ-moyen » nécessite une brisure de symétrie non triviale, et l'état fondamental est composé de multiples états organisés en une structure hiérarchique. D'autre part, une approche de « gouttelettes », fondée sur la dynamique hors-équilibre d'un état fondamental unique. La validation expérimentale d'une de ces deux théories nécessite une observation détaillée de l'échantillon au niveau microscopique. La physique mésoscopique, basée sur les effets d'interférences électroniques, propose un outil unique pour accéder à cette configuration microscopique des impuretés: les fluctuations universelles de conductance. En effet, ces fluctuations représentent une empreinte unique du désordre dans l'échantillon. Ce travail présente la mise en œuvre de mesures de fluctuations de conductance universelles dans les verres de spin. Les effets d'interférences électroniques étant sensibles aux processus de décohérence du verre de spin, ils donnent accès expérimentalement à de nouvelles quantités concernant les excitations du système. La mesure des corrélations entre les empreintes du désordre permet quant à elle d'explorer sous un angle nouveau l'ordre non conventionnel de cet état vitreux. / The spin glass is a state of matter in which the magnetic disorder is quenched. Being considered as a model system for glasses in general, it has been extensively studied, both theoretically and experimentally. The research have converged towards two main descriptions of the fundamental state of the system that are clearly antagonist. On the one hand, the “mean-field” solution has a non trivial broken symmetry, and the ground state is composed of multiple valleys in a hierarchical structure. On the other hand, a magnetic “droplet” model, based on the off-equilibrium dynamics of a unique ground state. The experimental validation of one of these two theories requires a detailed observation of the sample at the microscopic level. Mesoscopic physics, which deals with interference effects of the electrons, proposes a unique tool to access to this microscopic configuration of the impurities: the universal conductance fluctuations. Indeed, these fluctuations represent a unique fingerprint of the sample disorder. This work presents the implementation of universal conductance fluctuations measurements in spin glasses. The electron interference effects being sensitive to the decoherence processes of the spin glass, they give access experimentally to new quantities related to the excitations of the system. The measurement of correlations between the disorder fingerprints allow to explore under a new perspective the non conventional order of this glassy state.

Les travaux regroupés dans cette th`ese traitent de différents aspects de la physique statistique dessystèmes corrélés. Dans la première partie de cette thèse on s'intéresse aux fluctuations de grandeurs globalesdans les systèmes corrélés, dont de nombreux travaux sur des systèmes variés proposent qu'elles soientbien d´ecrites par la distribution BHP issue du modèle XY 2d. Le modèle d'Ising 2d est utilisé pour tester cette proposition et laquantifier. En utilisant des observations issues de simulations Monte Carlo, une étude analytique montre quel'apparente universalité de BHP est reliée au modèle gaussien obtenu par perturbation. et que des écarts àBHP d'importance variable existe, provenant de la contribution d'un terme non-gaussien. Dans la secondepartie, on s'intéresse à l'étude de la décohérence d'un système quantique à deux niveaux, induite par unbruit intermittent présentant un spectre en 1/f et du vieillissement. Un tel bruit peut schématiser l'effet d'unenvironnement corrélé sur un Qbit. En utilisant des résultats de probabilité, on peut calculer le facteur dedécohérence dans de nombreux régimes. On obtient alors des scénarios de décohérence anormaux, présentantune décroissance en loi de puissance aux temps longs, ainsi que de la non-stationnarité. Enfin la dernièrepartie est dédiée `a l'étude des solutions exactes du modèle d'Ising 2d classique, avec un champ magnétiquesur un bord. En généralisant une méthode due à Plechko, on obtient la fonction de partition de ce systèmeau moyen d'une action gaussienne fermionique unidimensionnelle. Dans le cas d'un champ homogène, onretrouve les résultats précédents de McCoy et Wu. On peut aller au-delà en considérant le cas où le champmagnétique change de direction une fois au bord. Cette méthode permet alors de décrire une transition detype mouillage, induite par ce défaut d'orientation. Il est en particulier possible d'obtenir analytiquement lediagramme de phase de ce système.

Cette thèse présente un ensemble d'expériences de QED en circuit (cQED), dans lesquelles des atomes artificiels basés sur des circuits supraconducteurs sont couplés au champ électromagnétique d'un résonateur micro-ondes. Ce résonateur agit comme appareil de mesure pour l'atome, permettant d'illustrer des aspects fondamentaux de la physique quantique et de développer des briques de base pour un processeur quantique. Dans une première expérience nous suivons continuement l'évolution de l'atome tout en variant l'intensité de la mesure. Nous observons la transition du régime de mesure faible à celui de mesure forte, puis le gel de la dynamique du a l'effet Zénon quantique. Dans le régime de mesure faible nous testons si l'atome artificiel est en accord avec les hypothèses du réalisme macroscopique, à partir desquelles Leggett et Garg ont déduit une inégalité de Bell en temps. La violation de cette inégalité confirme que l'atome artificiel, bien que macroscopique, est un objet quantique. En ce qui concerne l'information quantique, nous avons enrichi l'architecture cQED en démontrant un système de lecture haute fidélité en un coup pour le qubit, un élément crucial pour un processeur quantique. Notre circuit utilise la transition dynamique d'un résonateur non-linéaire. Le système couplé formé par le qubit et le résonateur non linéaire permet en plus d'étudier l'interaction entre couplage fort et effets non linéaires -amplification paramétrique, sqeezing- ouvrant un nouveau sujet : le cQED non linéaire. Finalement, nous avons mis au point un circuit qui servirait d'intermédiaire pour que deux qubits arbitraires interagissent : un résonateur micro-ondes a fréquence accordable.

Nous avons étudié l'action à l'échelle mésoscopique de la présence d'un supraconducteur sur la conductance d'un circuit de métal normal. Après une discussion de différentes théories concernant ce sujet, nous présentons des mesures à très basse température (20 mK) mettant en évidence l'action non locale de la supraconductivité sur la conductance métallique. Nous montrons que la conductance du métal normal est alors fortement dépendante de l'énergie des électrons, l'énergie caractéristique étant l'énergie de Thouless. Une expérience d'interférence effectuée dans la configuration Aharonov-Bohm met en évidence la portée de la cohérence quantique de paires d'électrons dans le métal normal. Nous effectuons une comparaison détaillée avec la théorie des fonctions de Green quasiclassiques. Cette comparaison met en évidence le rôle important joué par les parties extérieures de l'échantillon qui constituent les réservoirs. Nous présentons une technique originale de fabrication d'échantillons mésoscopiques hybrides de Niobium et de Cuivre. De plus, afin de pouvoir contrôler la formation des barrières tunnel, nous avons développé une vanne permettant de maîtriser l'entrée, dans un enceinte à Ultra-Vide, d'oxygène pur à partir de l'air. Nous décrivons un programme écrit en langage C++, qui permet de calculer la conductance d'un circuit hybride quelconque composé de métal normal et de supraconducteur. Dans le cas où deux supraconducteurs sont présents à des tensions différentes, l'effet Josephson alternatif module la densité d'états dans le métal normal. Nous présentons une expérience, en cours de développement, visant à mesurer les effets de ces variations de la densité d'états sur le transport.

Les courants permanents sont une des conséquences les plus spectaculaires de la cohérence quantique des électrons ; dans ce travail, nous montrerons que ceux-ci sont présents non seulement dans des anneaux isolés, mais aussi dans une chaîne d'anneaux connectés, et ce même si la taille de celle-ci est très largement supérieure à la longueur de cohérence de phase électronique.<br />Dans la seconde partie du manuscrit, nous montrerons que dans des métaux contenant des impuretés magnétiques Kondo, le temps de cohérence de phase à très basse température est limitée par la diffusion de spin et par la transition vitreuse qui apparaît lorsque les interactions RKKY entre impuretés magnétiques deviennent dominantes.