Cette thèse propose une étude théorique des propriétés de transport électronique dans divers réseaux d'une taille nanoscopique, dont la production est devenue possible grâce au progrès récents de la technique de nanofabrication. Les trois types de dispositifs ont été analysés: les nanotubes, les filaments quantiques et les jonctions Josephson. Dans la première partie nous retrouvons, par les méthodes du groupe de renormalisation et de la bosonisation, les diagrammes de phase pour les réseaux réguliers de fils quantiques dans les régimes de faible et forte interaction électronique. Dans la deuxième partie nous nous intéressons aux effets combinés des interférences quantiques dans les réseaux de symétrie Z2 locale en présence d'interaction Coulombienne. Dans le dernière chapitre nous proposons un modèle du spectromètre courant-tension mésurant l'énergie des q-bits, qui peut trouver ses applications dans la théorie de l'information quantique.

Au cours de cette thèse, nous avons mis au point une technique de fabrication de nano-jonctions Josephson présentant à la fois un intérêt technologique et fondamental. Les jonctions sont fabriquées à partir<br />d'un simple film mince d'YBa2Cu3O6+ en combinant des procédés standards de microfabrication et des étapes d'irradiation ionique. D'un point de vue fondamental, nous avons montré que l'effet de proximité joue un rôle important dans le couplage Josephson. Les résultats sont interprétés dans le cadre d'une approche de type quasiclassique basée sur les équations d'Usadel. Du point de vue des applications, ces jonctions offrent une nouvelle technologie efficace pour les dispositifs à base de jonctions Josephson, pouvant fonctionner à la température de l'azote liquide. Sur la base de cette technique, nous avons développé la fabrication de SQUIDs dc ayant de très bonnes performances.<br />La seconde partie de cette thèse a eté consacrée à l'étude des fluctuations de paires dans le régime de pseudogap des cuprates sous-dopés par une expérience de type Josephson. Si l'on couple un supraconducteur optimalement dopé avec un supraconducteur sous-dopé au travers d'une barrière isolante, la présence de fluctuations de paires dans le régime du pseudogap peut être révélée en mesurant la caractéristique courant-tension pour des températures comprises entre les deux Tc. Pour réaliser cette expérience, nous avons développé une nouvelle technique de fabrication de jonctions à géométrie mesa (YBaCuO sousdopé/PrBaCuO/ YBaCuO optimalement dopé) de taille micronique. Un comportement Josephson a été observé à basse température lorsque les deux électrodes sont dans l'état supraconducteur. Dans le régime intermédiaire, lorsque le composé optimalement dopé est dans l'état supraconducteur et le composé sousdopé dans l'état de pseudogap, nous observons une signature des fluctuations de paires dans un régime de température d'une dizaine de Kelvin au-dessus de la Tc du composé sous-dopé ce qui est bien inférieur à la température d'apparition du pseudogap (250K). Ces résultats sont donc en faveur d'un scénario classique où les fluctuations de paires n'existent qu'au voisinage de la transition.

Les réseaux de nanojonctions Josephson constituent un système modèle pour l'étude d'un grand nombre de phénomènes physiques. La transition Kosterlitz-Thouless-Berezinski est étudiée pour des jonctions de grande capacité, la transition de phase quantique supraconducteur-isolant, lorsque les jonctions ont une très faible capacité, mais également la compétition entre le champ magnétique et la géométrie. Nous avons étudié le diagramme de phase d'un réseau particulier : le reseau dice. Lorsque le flux magnétique par cellule correspond à un demi quantum de flux (frustration f=1/2), la fonction d'onde électronique est, dans ce réseau, entièrement localisée dans un modèle de liaisons fortes. Cet effet est dû à des interférences destructives de type Aharonov-Bohm. La prédiction de cet effet a motivé notre travail. Nous avons donc réalisé des réseaux dice de nanojonctions Al/Al2O3/Al de grande taille, par lithographie électronique. Les configurations de vortex sont observées par décoration magnétique de Bitter et nous avons étudié les propriétés de transport électrique par des mesures bas bruit à très basse température. La comparaison du diagramme de phase de ces réseaux entre f=1/2 et f=0, nous a permis de mettre en évidence deux phases originales à f=1/2. Tout d'abord, dans le régime supraconducteur, lorsque les fluctuations quantiques sont négligeables, les vortex s'arrangent suivant une configuration fortement désordonnée à longue distance, mais un ordre à courte distance subsiste. Les mesures de courant critique suggère d'autre part l'existence d'une phase commensurable. L'ensemble de ces résultats semble montrer l'existence à basse température d'une phase vitreuse, bien que nous n'ayons pas observé d'hystérésis thermique. D'autre part, dans les réseaux où les fluctuations quantiques deviennent importantes, nous observons une phase résistive à basse température indépendante de la température, caractéristique d'une phase de liquide quantique de vortex.

Dans ce mémoire, nous décrivons le montage d'une expérience permettant la production de condensats de Bose-Einstein d'atomes de 87Rb sur une puce à atomes, ainsi que leur séparation en deux dans un double puits de potentiel. Un système d'imagerie de précision a été développé, permettant une mesure absolue des populations avec un très faible bruit, quasiment limité par le bruit de grenaille optique. Nous avons alors mesuré la statistique des populations après séparation, et observé directement des états comprimés en nombre, jusqu'à -4.9 dB aux basses températures par rapport à un gaz de particules classiques, indépendantes. La dépendance en température des fluctuations a également été étudiée. Pour un gaz thermique, les fluctuations sont poissoniennes, résultant de la distribution de probabilité des macroétats de différences de population données. Dans le régime dégénéré, l'effet entropique favorisant les petites différences de population disparait, donnant lieu à des fluctuations super-poissoniennes, jusqu'à +3.8 dB proche de la température de transition. Aux basses températures, le coût énergétique associé aux interactions est plus important que l'énergie thermique, et favorise alors les faibles différences de population résultant en des fluctuations subpoissoniennes. Ces deux comportements sont interprétés théoriquement à l'aide d'un modèle simple, ainsi que de simulations numériques plus élaborées. Nous avons également mesuré l'évolution de la phase relative entre les deux nuages, et son brouillage dû aux interactions, permettant alors de démontrer que la séparatrice construite est cohérente.

Cette thèse porte sur le développement de circuits supraconducteurs à jonctions Josephson, issus de la boîte à paire de Cooper, pour réaliser des bits quantiques (qubits). La version quantronium de ce circuit avait déjà démontré une cohérence quantique assez bonne pour faire des portes logiques à un qubit. Pour réaliser des portes logiques à deux qubits, nous avons développé un circuit, le quantroswap, fait de deux quantroniums couplés, chaque qubit pouvant être piloté et mesuré séparément. Nous avons démontré l'échange cohérent d'état entre les deux qubits, mais aussi observé un effet rédhibitoire d'instabilité dans ces qubits. Pour l'éviter, nous avons réalisé un nouveau circuit fait d'une boite à paires de Cooper insensible au bruit en charge électrique et stable, couplée à un résonateur non linéaire pour sa lecture. Nous avons obtenu un temps de cohérence long (~1 μs), et une très bonne fidélité de lecture (90%) du qubit en utilisant le phénomène de bifurcation. Dans un but métrologique, la mesure par réflectométrie microonde du quantronium a aussi permis de relier un courant I injecté dans le circuit à la fréquence f=I/2e des oscillations de Bloch induites.

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.

Nous utilisons un microscope combinant microscopie à force atomique (AFM) et microscopie à effet tunnel (STM) à très basse température (~100 mK) afin d'étudier des nanocircuits mésoscopiques. Pour effectuer l'AFM dans ces conditions, nous utilisons un diapason en quartz recouvert de deux électrodes sur l'une desquelles est collée la pointe. Lorsque le diapason vibre on peut alors localiser en AFM un échantillon conducteur sur un substrat isolant, puis stopper les vibration pour réaliser des spectroscopies tunnel le long de la partie conductrice. Nous utilisons des pointes de platine-iridium ce qui nous permet de mesurer la densité d'états électronique locale. Nous nous sommes intéressés aux jonctions Josephson hybrides composées d'un îlot d'environ 1 µm de métal normal (cuivre) séparant deux supraconducteurs (aluminium). Ces échantillons sont réalisées par lithographie électronique et évaporation sous angle.Les courbes courant-tension de ces jonctions deviennent hystérétiques à très basse température ce qui est vraisemblablement dû à la dissipation thermique dans la partie normale. Nous avons pu localiser de manière fiable des échantillons uniques et effectuer simultanément des mesures en transport et des spectroscopies locales. Nous avons vu que la densité d'états du supraconducteur varie continuement à proximité du métal normal. Nous avons également observé un chauffage du supraconducteur avec le courant traversant la jonction. La mesure de la densité d'états du supraconducteur permet alors d'estimer la température électronique dans l'échantillon. La comparaison avec notre modèle thermique montre que l'énergie thermique produite dans le métal normal semble être évacuée mieux que prévu.

Cette thèse présente le travail expérimental effectué pour observer la dynamique quantique de Zénon (QZD) dans une architecture 'circuit-QED' tridimentionnelle fonctionnant à très basse température. Dans cette architecture, un circuit supraconducteur de type transmon, jouant le rôle d'un atome artificiel, est couplé au champ électromagnétique d'une cavité microonde. Les niveaux d'énergie de l'atome et de la cavité sont alignés d'une nouvelle manière, afin de manipuler les états de Fock individuels de la cavité, tout en minimisant sa non-linearité Kerr induite par le transmon. La dynamique Zénon est obtenue en pilotant classiquement le champ de la cavité, tout en excitant fortement une transition inter-niveaux d'énergie du transmon, conditionnée à un état de Fock particulier. Ce forcage maintient la population de l'état de Fock à zéro, et conduit à la dynamique Zeno. Cette dynamique est observée par mesure de sa fonction de Wigner à intervalles de temps réguliers, soit par tomographie de Wigner, soit par tomographie quantique standard et reconstruction de la matrice densité. Nous observons trois exemples de QZD, et analysons la décohérence observée à l'aide simulations quantiques du système. / This thesis presents experimental work aimed at observing the quantum Zeno dynamics (QZD) in 3D circuit-QED, where an artificial atom, consisting of a superconducting circuit called a transmon, is coupled to the electric field of a microwave cavity resonator. The transmon and resonator energy levels are aligned in a novel way enabling the manipulation of individual Fock states of the cavity, while minimizing its transmon-induced Kerr non-linearity. We induce the QZD by displacing classically the cavity field while continuously driving strongly a transmon transition specific to a particular Fock state, which keeps this Fock state population at zero. The QZD is then observed by measuring the Wigner function of the fields at regular time intervals, either by Wigner tomography or standard quantum tomography and reconstruction of the density matrix. We observe three examples of QZD, and analyze the observed decoherence with the help of quantum simulations of the system.

Cette thèse porte sur la dynamique quantique dans un dcSQUID inductif. Ce dispositif est une boucle supraconductrice interrompue par deux jonctions Josephson. Sa dynamique est analogue à celle d'une particule massive évoluant dans un potentiel bidimensionnel. Dans la limite quantique, le dcSQUID se comporte comme un atome artificiel à deux degrés de liberté, contrôlé par le courant et le flux de polarisation. Dans la limite où l'inductance de la boucle est petite devant celle des jonctions, celles-ci sont fortement couplées. La dynamique du circuit est alors celle d'un oscillateur anharmonique quantique unidimensionnel. Dans la limite des deux premiers niveaux d'énergie, ce circuit est un qubit de phase. Jusqu'alors la décohérence dans ce circuit était dominée par le bruit en courant. Nous montrons, par des mesures de spectroscopie et d'oscillations cohérentes, que l'effet du bruit en courant s'annule à courant de polarisation nul, permettant une augmentation des temps de cohérence. Dans la limite où l'inductance de la boucle est grande devant celle des jonctions, la dynamique devient bidimensionnelle. Le circuit exhibe alors un spectre d'énergie riche qui peut être décrit comme celui de deux oscillateurs anharmoniques couplés, correspondant aux modes d'oscillations symétrique et antisymétrique des phases des deux jonctions. Nous mettons en évidence ce spectre par des mesures de spectroscopie et nous démontrons la manipulation cohérente des états quantiques de chaque mode. En particulier nous mettons en évidence un couplage non-linéaire entre les deux modes, dans une limite de couplage fort. Ce couplage nous permet alors d'observer des oscillations cohérentes entre les deux modes internes de cet atome artificiel. De plus, dans ce manuscrit, nous présentons une technique innovante de fabrication de jonctions métalliques par évaporations sous angles qui n'a pas recours à un pont de résine suspendu. Finalement nous proposons un modèle simple basé sur les effets de chauffage qui explique pour la première fois une anomalie récurrente observée dans les caractéristiques courant-tension des dcSQUID. / This thesis focuses on the quantum dynamics in inductive dcSQUID. This device is a superconducting loop interrupted by two Josephson junctions. Its dynamics can be described as a massive fictitious particle in a two dimensional potential. A dcSQUID behaves as an artificial atom with two degrees of freedom, controlled by current and flux bias. When the loop inductance is smaller than the Josephson inductance, the junctions are strongly coupled. The device is then described as a one dimensional quantum anharmonic oscillator. In the limit of the two lowest energy levels, a dcSQUID is a phase qubit. Until now decoherence was dominated by the current noise. We show by spectroscopic measurement and coherent oscillations measurement that the effect of the current noise vanishes at zero current bias, enabling longer coherence times. When the loop inductance is larger than the Josephson inductance, the dynamics becomes two dimensional. The device exhibits a rich energy spectrum which can be describe as the one of two coupled anharmonic oscillators, corresponding to symmetric and antisymmetric oscillations modes of the phases across each junctions. We present spectroscopic measurement of this spectrum. We demonstrate the coherent manipulation of the quantum states of each mode. We show evidence of non linear coupling between the modes, in the strong coupling regime. This coupling enables the measurement of coherent oscillations between the internal modes of this artificial atom. In addition we present a novel fabrication technique that allows metallic junction fabrication by angle evaporation without the use of suspended bridge of resist. We propose also a simple model based on heating effects that explain for the first time a frequent anomaly in the IV characteristic of dcSQUID.

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.