La génération d'objets quantiques intriqués est inévitable pour l'exploration de l'information quantique dans les systèmes de la matière condensée. Alors que des expériences de non-localité on été menées, avec succès, à partir de photons intriqués, il n'a pas encore été possible de réaliser leurs analogues électroniques dans les matériaux solides, où les fermions sont les objets quantiques à intriqués. Les paires de Cooper dans les supraconducteurs sont des candidats prometteurs pour réaliser une source d'électrons intriqués. L'intrication non-local est la clé de voûte et elle peut être induite par le processus de réflexion d'Andreev croisée. Ce phénomène sépare une paire de Cooper en deux électrons, dont les spins sont intriqués, dans deux conducteurs séparés spatialement.J'ai étudié un système composé de trois électrodes supraconductrices (Al) connectées par un métal normal (Cu) formant ainsi une tri-jonction Josephson. De nouvelles structures, dans cette nano-structure hybride, apparaissent dans la conductance différentielle lorsque deux terminaux sont polarisées par des potentiels opposés l'un par rapport à l'autre. Ces anomalies correspondent à des phénomène de transport de paires de Cooper corrélées et sont consistantes avec la prédictiondes Quartets formés par la séparation simultanée de deux paires de Cooper d'un réservoir supraconducteur vers les deux autres électrodes.Dans le but d'expérimenter la cohérence quantique de ces structures, j'ai irradié la tri-jonction à l'aide d'une micro-onde de 14 GHz à très basse température. Des résonances Shapiro apparaissent lorsque la fréquence de la micro-onde est équivalente à la fréquence des courants AC Josephson générés en appliquant des tensions à travers la tri-jonction.Mon étude révèle que les anomalies de type Quartet présentent aussi des résonances Shapiro. Ce résultat démontre que le phénomène de Quartet est un mécanisme quantique cohérent confirmant la séparation cohérente de deux pairs de Cooper à longue portée. / A fundamental route for the exploration of solid state based quantum information is the generation of EPR pairs of quantum-entangled objects. Although experimental tests of nonlocality have been successfully conducted with pair of entangled photons, it has not yet been possible to realize an electronic analogue of it in the solid state, where fermions are the natural quantum objects. However, Cooper pairs in superconductors are known as suitable sources of entanglement. Non-local entanglement is the key and Crossed Andreev reflection process can provide it by converting a Cooper pair into two spin-entangled electrons located in separate conductors.I investigated a device where three superconducting (Al) electrodes are connected by a sub-micron normal metal (Cu) composing a Josephson three-junction. In this hybrid nanostructure, new sub-gap features appear in the differential conductance when two terminals are biased at opposite voltage with respect to the third one. These features correspond to correlated motion of Cooper pairs and are consistent with the prediction of Quartets formed by the simultaneous splitting of two Cooper pairs from one of the superconducting reservoirs and the emission of two phase correlated Cooper pairs in the two other electrodes. In order to probe the quantum coherence of such features, I irradiated the device with a microwave at 14 GHz down to very low temperature (100 mK). Well known Shapiros resonances (both integer and half-integer) are observed when the microwave frequency matches the frequency of the AC Josephson currents generated by applying differents voltages across the three-junction.My study reveals that the quartet feature also shows Shapiro-like resonances. This result demonstrates that the quartet feature is a true quantum mechanism and confirms the quartet scenario that implies the coherent splitting of two Cooper pairs.

Ce mémoire illustre les recherches que j'ai menées pendant les sept dernières années. Depuis ma thèse, mon activité a visé à explorer le transport quantiques dans différents types de nanostructures hybrides. Dans ces structures, il s'agit de combiner des conducteurs comportant différents ordres électroniques ou bien différentes dimensionalités. Une des idées principales qui ont guidé mes recherches est d'implémenter des expériences de pensée de transport quantique en utilisant de tels systèmes. Mon travail s'est décliné autour de trois thématiques distinctes : la coexistence entre l'ordre ferromagnétique et l'ordre supraconducteur, l'électronique de spin moléculaire et l'effet Kondo dans les boîtes quantiques. Le premier chapitre a pour but de mettre en exergue la richesse des nanotubes de carbone pour l'élaboration de structures hybrides. Au chapitre 2, je présente l'expérience d'injection de spin dans les nanotubes et la replace dans son contexte général. Dans le chapitre 3, je détaille les expériences de mesures de bruit que j'ai menées récemment. Les chapitres 1, 2 et 3 sont indépendants. A la fin des chapitres 2 et 3, je détaille les développements immédiats des études présentées. Je conclue enfin en indiquant les perspectives de mon travail, essentiellement reliées à la mesure directe des aspect dynamiques de nano-circuits hybrides.

Nous avons étudié la dynamique quantique d'un circuit supraconducteur constitué d'un SQUID dc couplé à un transistor à paires de Cooper fortement asymétrique (ACPT). Le SQUID dc est un qubit de phase contrôlé par un courant de polarisation et un champ magnétique. L'ACPT est un qubit de charge contrôlé par un courant de polarisation, un champ magnétique et une tension de la grille.<br /><br />Nous avons mesuré par spectroscopie micro-onde les premiers niveaux d'énergie du circuit couplé en fonction des paramètres de contrôle. Les mesures des états quantiques des qubits de charge et de phase sont réalisées par une mesure d'échappement du SQUID dc avec une impulsion de flux nanoseconde appliquée dans celui-ci. La mesure de l'ACPT utilise un nouveau processus quantique : l'état excité de l'ACPT est transféré adiabatiquement vers l'état excité du SQUID durant l'impulsion de flux.<br /><br />Notre circuit permet de manipuler indépendamment chaque qubit tout comme il permet d'intriquer les états quantiques des deux circuits. Nous avons observé des anti-croisements des niveaux d'énergie des deux qubits lorsqu'ils sont mis en résonance. Le couplage a été mesuré sur une large gamme de fréquence, pouvant varier de 60 MHz à 1.1 GHz. Nous avons réussi à obtenir un couplage variable entre le qubit de charge et le qubit de phase. Nous avons analysé théoriquement la dynamique quantique de notre circuit. Cette analyse a permis de bien expliquer le couplage variable mesuré par une combinaison entre un couplage Josephson et un couplage capacitif entre les deux qubits.

Cette thèse utilise les micro-ondes pour étudier des circuits de boîtes quantiques à base de nanotubes de carbone. Dans une première expérience, l'excitation micro-onde est appliquée directement sur une électrode du circuit pour une boîte quantique dans le régime Kondo. Nous réalisons la première caractérisation fréquence-amplitude de la conductance Kondo à biais nul. Des données préliminaires sont en accord avec la prédiction d'universalité. Nous présentons deux autres expériences, où les boîtes quantiques sont insérées dans des résonateurs micro-ondes. Les photons de la cavité sondent la résistance de relaxation de charge et l'émission de photons dans une boîte quantique couplée à des réservoirs normaux et supraconducteurs, en présence de répulsion coulombienne. Nos observations valident une modélisation en termes de réponse linéaire du circuit. Nous présentons aussi la première implémentation d'une lame séparatrice à paires de Cooper en cavité. Le régime de couplage fort est atteint, une première avec des circuits de boîtes quantiques. Nos résultats renforcent l'idée que l'électrodynamique quantique mésoscopique est une boîte à outils fructueuse, aussi bien dans le contexte du domaine du transport quantique que dans celui de l'information quantique. / This thesis uses microwaves as probe of carbon nanotube quantum dot circuits. In a first experiment, a microwave excitation is directly applied to a circuit electrode for a quantum dot in the Kondo regime. We provide the first frequency-amplitude characterisation of the Kondo zero-bias conductance. Preliminary data are consistent with predicted universal behaviour. We present two other experiments, where quantum dot circuits are embedded in microwave resonators. Cavity photons probe charge relaxation resistance and photon-emission in a quantum dot coupled to normal and superconducting reservoirs in presence of Coulomb repulsion. Our observations validate a modelling in terms of the circuit linear response. We also present the first implementation of a Cooper pair splitter in cavity. The strong coupling regime is achieved, a premiere with quantum dot circuits. Our findings support the idea, that mesoscopic quantum electrodynamics is a fruitful toolbox in the context of both fields of quantum transport and quantum information science.

On considère généralement que la fonction d’onde macroscopique décrivant un condensat de paires de fermions possède une phase parfaitement définie et immuable. En réalité, il n’existe que des systèmes de taille finie, préparés à température non nulle ; le condensat possède alors un temps de cohérence fini, même lorsque le système est isolé. Cet effet fondamental, crucial pour les applications qui exploitent la cohérence macroscopique, restait très peu étudié.Dans cette thèse, nous relions le temps de cohérence à la dynamique de phase du condensat, et nous montrons par une approche microscopique que la dérivée temporelle de l’opérateur phase ˆθ0 est proportionnelle à un opérateur potentiel chimique qui inclut les deux branches d’excitations du gaz : celle, fermionique, de brisure des paires et celle, bosonique, de mise en mouvement de leur centre de masse. Pour une réalisation donnée de l’énergie E et du nombre de particules N, la phase évolue aux temps longs comme −2μmc(E,N)t/~ où μmc(E,N) est le potentiel chimique microcanonique ; les fluctuations de E et de N d’une réalisation à l’autre conduisent alors à un brouillage balistique de la phase, et à une décroissance gaussienne de la fonction de cohérence temporelle avec un temps caractéristique ∝ N1/2. En l’absence de telles fluctuations, la décroissance est au contraire exponentielle avec un temps de cohérence qui diverge linéairement en N à cause du mouvement diffusif de ˆθ0 dans l’environnement des modes excités. Nous donnons une expression explicite de ce temps caractéristique à bassetempérature dans le cas d’une branche d’excitation bosonique convexe lorsque les phonons interagissent via les processus 2 ↔ 1 de Beliaev-Landau. Enfin, nous proposons des méthodes permettant de mesurer avec un gaz d’atomes froids chaque contribution au temps de cohérence / It is generally assumed that a condensate of paired fermions at equilibrium is characterized by a macroscopic wavefunction with a well-defined, immutable phase. In reality, all systems have a finite size and are prepared at non-zero temperature ; the condensate has then a finite coherence time, even when the system is isolated. This fundamental effect, crucial for applicationsusing macroscopic coherence, was scarcely studied. Here, we link the coherence time to the condensate phase dynamics, and show using a microscopic theory that the time derivative of the condensate phase operator ˆθ0 is proportional to a chemical potential operator which includes both the fermionic pair-breaking and the bosonic pair-motion excitation branches.For a given realization of the number of particle N and of the energy E, the phase evolves at long times as −2μmc(E,N)t/~ where μmc(E,N) is the microcanonical chemical potential ; fluctuations of N and E from one realization to the other then lead to a ballistic spreading of the phase and to a Gaussian decay of the temporal coherence function with a characteristictime ∝ N1/2. On the contrary, in the absence of energy and number fluctuations, the decay of the temporal coherence function is exponential with a characteristic time scaling as N due to the diffusive motion of ˆθ0 in the environnement created by the excited modes. We give an explict expression of this characteristic time at low temperature in the case where the bosonicbranch is convex and the phonons undergo 2 ↔ 1 Beliaev-Landau process. Finally, we propose methods to measure each contribution to the coherence time using ultracold atoms.

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.