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Comprendre l'interaction lumière-matière est toujours un sujet d'actualité malgré des décennies de recherche intense. Grâce au large couplage lumière-matière présent dans les circuits quantiques supraconducteurs, il est maintenant possible d'effectuer des expériences où la dynamique d'environnements contenant beaucoup de degrés de liberté, devient pertinente. Ainsi, relier la physique à N-corps, généralement réservée à la matières condensée, et l’optique quantique est à portée de main.Dans ce travail, nous présentons un système totalement accordable in-situ pour étudier l'interaction lumière-matière à N-corps (N grand) dans différents régimes de couplage. Le circuit est constitué d'un bit quantique de type transmon (“la matière”) couplé capacitivement à une chaîne de 4700 jonctions Josephson en géométrie squid. Cette chaîne supporte de nombreux modes électromagnétiques ou modes plasma (“la lumière”). Grâce à la grande inductance cinétique des jonctions Josephson, la chaîne présente une impédance caractéristique élevée ce qui augmente significativement le couplage qubit-modes. Les squids dans le transmon et dans la chaîne nous permettent de modifier la force de ce couplage en appliquant un flux magnétique.Avec ce sytème, nous avons les trois ingrédients requis pour explorer la physique à N-corps: un environnement avec une grande densité de modes électromagnétiques, un couplage lumière-matière ultra-fort, et une non linéarité comparable aux autres échelles d'énergie pertinentes. De plus, nous présentons un traitement de l'effet des fluctuations du vide de ce large nombre de degrées de liberté. Ce qui nous permet d'obtenir un modèle quantitatif et sans paramètre libre de ce système complexe. Finalement, à partir du décalage de phase induit par le transmon sur les modes de la chaîne, le transmon phase shift, nous quantifions l’hybridation du qubit transmon avec plusieurs modes de la chaîne (jusqu'à 10 modes) et obtenons la fréquence de résonance du transmon, ainsi que sa largeur, confirmant que nous sommes dans le régime de couplage ultra-fort.Ce travail démontre que les circuits quantiques sont un outil puissant pour explorer l'optique quantique à N-corps de manière totalement contrôlée. Combiner des métamatériaux supraconducteurs et des qubits devrait permettre de mettre en évidence des effets à N-corps qualitatifs, comme le décalage de Lamb géant, d’observer des états non-classiques de la lumière ou la production de particules ou encore de simuler des problèmes d’impuretés quantiques (par exemple le modèle de Kondo ou celui de Sine-Gordon) et des transitions de phase quantiques dissipatives. / Understanding the way light and matter interact remains a central topic in modern physics despite decades of intensive research. Owing to the large light-matter interaction in superconducting circuits, it is now realistic to think about experiments where the dynamics of environments containing many degrees of freedom becomes relevant. It suggests that bridging many-body physics, usually devoted to condensed matter, and quantum optics is within reach.In this work we present a fully tunable system for studying light-matter interaction with many bodies at different coupling regimes. The circuit consists of a transmon qubit (“the matter”) capacitively coupled to an array of 4700 Josephson junctions in a squid geometry, sustaining many electromagnetic or plasma modes (“the light”). Thanks to the large kinetic inductance of Josephson junctions, the array shows a high characteristic impedance that enhances the qubit-modes coupling. The squids in the transmon and in the array allow us to tune the strength of this coupling via an external magnetic flux.We observe the three required ingredients to explore many-body physics: an environment with a high density of electromagnetic modes, the ultra-strong light-matter coupling regime and a non-linearity comparable to the other relevant energy scales. Moreover, we present a method to treat the effect of the vacuum fluctuations of all these degrees of freedom. Thus we provide a quantitative and parameter-free model of this large quantum system. Finally, from the phase shift induced by the transmon on the modes of the array, the transmon phase shift, we quantify the hybridization of the transmon qubit with several modes in the array (up to 10) and obtain the transmon resonance frequency and its width, demonstrating that we are in the ultra-strong coupling regime.This work demonstrates that quantum circuits are a very powerful platform to explore many-body quantum optics in a fully controlled way. Combining superconducting metamaterials and qubits could allow us to observe qualitative many-body effects such as giant lambshift, non-classical states of light and particle productions or to simulate quantum impurity problems (such as the Kondo model or the sine-Gordon model) and dissipative quantum phase transitions.

Made available in DSpace on 2015-10-19T11:49:43Z (GMT). No. of bitstreams: 1 pimentelsobrinho2013.pdf: 2616020 bytes, checksum: abbcfacc53dbab0dc8ddca2f8ac2b67b (MD5) Previous issue date: 2013-03-27 / Study about contributions of the concept of quantum bit (q-bit) and analyze the possibilities in quantum computers processing and increase the data storage capacity for devices memory. From the analysis of the q-bit is possible to notice changing in mental and social structures beyond their direct interference in the process of memory as a way of preserving information in different formats. Observations in the contributions from Quantum Mechanics, by measuring process, for Information Science and theoretical-epistemic confluence between the two sciences complemented by some opinions around the issues that still needing answer. Insertion of terms entanglement and superposition that were identified as fundamental to understanding the concept of q-bit is the basis to accept the updates in the concepts, formulations and descriptions established in Information Science / Estudo das contribuições do conceito do bit quântico (q-bit) e suas possibilidades de processamento nos computadores quânticos e de aumento da capacidade de armazenamento dos dados em dispositivos de memória. A partir da análise do q-bit, é possível a percepção das alterações de estruturas mentais e sociais, além de sua interferência direta no processo de memória como meio de preservação de informações sob diversos formatos. Observações das contribuições a Mecânica Quântica para a Ciência da Informação e a confluência teórico epistêmica entre as duas ciências, complementadas por algumas ponderações em torno das questões que ainda necessitam de respostas. Inserção dos termos emaranhamento e superposição de estados identificados como fundamentais para o entendimento do conceito de q-bit. Tais termos são a base para dimensionar as alterações em conceitos, formulações e descrições consagrados na Ciência da Informação. Palavras-chave: Bit quântico

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Cette thèse porte sur la réalisation expérimental d'un atome artificiel possédant un diagramme énergétique en forme de V. Inspiré par les expériences des ions piégés, nous avons théoriquement prédit une lecture ultra rapide et de haute fidélité de l'état d'un qubit en utilisant un atome artificiel en forme de V dans une architectures d'électrodynamiques de circuits quantique. Pour réaliser cette expérience, nous avons développé une installation expérimental pour effectuer des mesures de transmissions de nos circuits quantiques supra-conducteur par une méthode hétérodyne. Nous avons aussi mis en oeuvre un environnement matériel et logiciel permettant des spectroscopies multi-tons et des mesures résolus en temps afin de contrôler l'état quantique de l'atome artificiel et l'état de photon cohérent dans le résonateur. De plus nous avons caractérisé des résonateurs micro-ondes quart d'ondes fabriqués à partir d'Aluminium et de Rhénium épitaxié. Le dispositif quantique original est fabriqué en couplant inductivement deux transmons. Lorsque le couplage inductif est de l'ordre de grandeur de l'inductance Josephson, nous observons des modes d'oscillations "en-phase" et "hors-phase" de la phase à travers les jonctions. Le spectre d'énergie du système, mesuré par des spectroscopies deux-tons, est précisément décrit par notre modèle analytique. Dans la limite des excitations de petites énergies, les deux modes peuvent être considérés comme des simples systèmes à deux niveaux appelés ci-après qubits. A zéro champ magnétique, il a été observé que les deux qubits deviennent couplés uniquement par une anharmonicité croisée. Cela a été révélé, à travers des spectroscopies trois-tons, par un décalage conditionnel de la fréquence de transition d'un qubit dépendant de l'état de l'autre qubit aussi grand que 115 MHz. Tous ces résultats expérimentaux démontrent un diagramme énergétique en V pour notre atome artificiel ce qui ouvre la voie pour des expérience originales dans le domaine de l'électrodynamique quantique. / This thesis focuses on the experimental realisation of an artificial atom with a V-shape energy level diagram.Inspired by trapped-ion experiments, we theoretically predict an ultra fast and high fidelity quantum nondestructive readout of qubit state by using the V-shape artificial atom in a circuit quantum electrodynamicsarchitecture.To realise this experiment, we have developed an experimental setup to perform transmission measurementsof our superconducting quantum circuits by heterodyne technique at very low temperatures (30mK) and verylow signal amplitude (fW). We also implemented a hardware and software environment enabling multi-tonespectroscopies and time-resolved measurements in order to control the quantum state of the artificial atomand the coherent field in the resonator. In addition, in order to optimise the experiment circuits we havecharacterised quarterwave microwave resonators made from aluminium and epitaxial rhenium thin films.The original quantum device is fabricated by two inductively coupled transmons. When the couplinginductance is of the order of the Josephson inductance, we observe “in-phase” and “out-of-phase” oscillatingmodes of the superconducting phase across the junctions. The energy spectrum of the system, measured bytwo-tone spectroscopy, is magnetic flux dependent. It is precisely described by our theoretical model leadingto an accurate determination of the circuit parameters. Because of their anharmonicity, in the low-energylimit, the two modes can be considered as two-level systems called qubits. At zero magnetic field, it hasbeen observed that the two qubits become coupled only by a cross-anharmonicity. This has been revealed,through three-tone spectroscopy, by a conditional frequency shift as large as 115MHz of one qubit transitiondepending on the other qubit state. All these experimental results demonstrate a V-shape energy diagram forour artificial atom which paves the way to an original and high performance read-out

Cette thèse porte sur la réalisation expérimental d'un atome artificiel possédant un diagramme énergétique en forme de V. Inspiré par les expériences des ions piégés, nous avons théoriquement prédit une lecture ultra rapide et de haute fidélité de l'état d'un qubit en utilisant un atome artificiel en forme de V dans une architectures d'électrodynamiques de circuits quantique. Pour réaliser cette expérience, nous avons développé une installation expérimental pour effectuer des mesures de transmissions de nos circuits quantiques supra-conducteur par une méthode hétérodyne. Nous avons aussi mis en oeuvre un environnement matériel et logiciel permettant des spectroscopies multi-tons et des mesures résolus en temps afin de contrôler l'état quantique de l'atome artificiel et l'état de photon cohérent dans le résonateur. De plus nous avons caractérisé des résonateurs micro-ondes quart d'ondes fabriqués à partir d'Aluminium et de Rhénium épitaxié. Le dispositif quantique original est fabriqué en couplant inductivement deux transmons. Lorsque le couplage inductif est de l'ordre de grandeur de l'inductance Josephson, nous observons des modes d'oscillations "en-phase" et "hors-phase" de la phase à travers les jonctions. Le spectre d'énergie du système, mesuré par des spectroscopies deux-tons, est précisément décrit par notre modèle analytique. Dans la limite des excitations de petites énergies, les deux modes peuvent être considérés comme des simples systèmes à deux niveaux appelés ci-après qubits. A zéro champ magnétique, il a été observé que les deux qubits deviennent couplés uniquement par une anharmonicité croisée. Cela a été révélé, à travers des spectroscopies trois-tons, par un décalage conditionnel de la fréquence de transition d'un qubit dépendant de l'état de l'autre qubit aussi grand que 115 MHz. Tous ces résultats expérimentaux démontrent un diagramme énergétique en V pour notre atome artificiel ce qui ouvre la voie pour des expérience originales dans le domaine de l'électrodynamique quantique. / This thesis focuses on the experimental realisation of an artificial atom with a V-shape energy level diagram.Inspired by trapped-ion experiments, we theoretically predict an ultra fast and high fidelity quantum nondestructive readout of qubit state by using the V-shape artificial atom in a circuit quantum electrodynamicsarchitecture.To realise this experiment, we have developed an experimental setup to perform transmission measurementsof our superconducting quantum circuits by heterodyne technique at very low temperatures (30mK) and verylow signal amplitude (fW). We also implemented a hardware and software environment enabling multi-tonespectroscopies and time-resolved measurements in order to control the quantum state of the artificial atomand the coherent field in the resonator. In addition, in order to optimise the experiment circuits we havecharacterised quarterwave microwave resonators made from aluminium and epitaxial rhenium thin films.The original quantum device is fabricated by two inductively coupled transmons. When the couplinginductance is of the order of the Josephson inductance, we observe “in-phase” and “out-of-phase” oscillatingmodes of the superconducting phase across the junctions. The energy spectrum of the system, measured bytwo-tone spectroscopy, is magnetic flux dependent. It is precisely described by our theoretical model leadingto an accurate determination of the circuit parameters. Because of their anharmonicity, in the low-energylimit, the two modes can be considered as two-level systems called qubits. At zero magnetic field, it hasbeen observed that the two qubits become coupled only by a cross-anharmonicity. This has been revealed,through three-tone spectroscopy, by a conditional frequency shift as large as 115MHz of one qubit transitiondepending on the other qubit state. All these experimental results demonstrate a V-shape energy diagram forour artificial atom which paves the way to an original and high performance read-out

La réalisation d'un ordinateur quantique fonctionnel est l'un des objectifs technologiques les plus ambitieux pour les scientifiques d'aujourd'hui. Sa brique de base est composée d'un système quantique à deux niveaux, appelé bit quantique (ou qubit). Parmi les différents concepts existants, les dispositifs à base de spin sont très attractifs car ils bénéficient de la progression constante des techniques de nanofabrication et permettent la lecture électrique de l'état ​​du qubit. Dans ce contexte, les dispositifs à base de spins nucléaires offrent un temps de cohérence supérieur à celui des dispositifs à base de spin électronique en raison de leur meilleure isolation à l'environnement. Mais ce couplage faible a un prix: la détection et la manipulation des spins nucléaires individuels restent des tâches difficiles. De très bonnes conditions expérimentales étaient donc essentielles pour la réussite de ce projet. Outre des systèmes de filtrage des radiofréquences à très basses températures et des amplificateurs à très faible bruit, j'ai développé de nouveaux supports d'échantillons et des bobines de champ magnétique trois axes compacts avec l'appui des services techniques de l'Institut Néel. Chaque partie a été optimisée afin d'améliorer la qualité de l'installation et évaluée de manière quantitative. Le dispositif lui-même, un qubit réalisé grâce à un transistor de spin nucléaire, est composé d'un aimant à molécule unique couplé à des électrodes source, drain et grille. Il nous a permis de réaliser la lecture électrique de l'état d'un spin nucléaire unique, par un processus de mesure non destructif de son état quantique. Par conséquent, en sondant les états quantique de spin plus rapidement que le temps de relaxation caractéristique de celui-ci, nous avons réalisé la mesure de la trajectoire quantique d'un qubit nucléaire isolé. Cette expérience a mis en lumière le temps de relaxation T$ _1$ du spin nucléaire ainsi que son mécanisme de relaxation dominant. La manipulation cohérente du spin nucléaire a été réalisée en utilisant des champs électriques externes au lieu d'un champ magnétique. Cette idée originale a plusieurs avantages. Outre une réduction considérable du chauffage par effet Joule, les champs électriques permettent de contrôler et de manipuler le spin unique de façon très rapide. Cependant, pour coupler le spin à un champ électrique, un processus intermédiaire est nécessaire. Un tel procédé est l'interaction hyperfine, qui, si elle est modifiée par un champ électrique, est également désigné sous le nom d'effet Stark hyperfin. En utilisant cet effet, nous avons mis en évidence la manipulation cohérente d'un spin nucléaire unique et déterminé le temps de cohérence $ T^*_2 $. En outre, l'exploitation de l'effet Stark hyperfin statique nous avons permis de régler le qubit de spin nucléaire à et hors résonance par l'intermédiaire de la tension de grille. Cela pourrait être utilisé pour établir le contrôle de l'intrication entre les différents qubits nucléaires. En résumé, nous avons démontré pour la première fois la possibilité de réaliser et de manipuler un bit quantique basé sur un aimant à molécule unique, étendant ainsi le potentiel de la spintronique moléculaire au delà du stockage de données classique. De plus, la grande polyvalence des molécules aimants est très prometteuse pour une variété d'applications futures qui, peut-être un jour, parviendront à la réalisation d'un ordinateur quantique moléculaire. / The realization of a functional quantum computer is one of the most ambitious technologically goals of today's scientists. Its basic building block is composed of a two-level quantum system, namely a quantum bit (or qubit). Among the other existing concepts, spin based devices are very attractive since they benefit from the steady progress in nanofabrication and allow for the electrical read-out of the qubit state. In this context, nuclear spin based devices exhibit an additional gain of coherence time with respect to electron spin bases devices due to their better isolation from the environment. But weak coupling comes at a price: the detection and manipulation of individual nuclear spins remain challenging tasks. Very good experimental conditions were important for the success of this project. Besides innovative radio frequency filter systems and very low noise amplifiers, I developed new chip carriers and compact vector magnets with the support of the engineering departments at the institute. Each part was optimized in order to improve the overall performance of the setup and evaluated in a quantitative manner. The device itself, a nuclear spin qubit transistor, consisted of a TbPc$_2$ single-molecule magnet coupled to source, drain, and gate electrodes and enabled us to read-out electrically the state of a single nuclear spin. Moreover, the process of measuring the spin did not alter nor demolish its quantum state. Therefore, by sampling the spin states faster than the characteristic relaxation time, we could record the quantum trajectory of an isolated nuclear qubit. This experiment shed light on the relaxation time T$_1$ of the nuclear spin and its dominating relaxation mechanism. The coherent manipulation of the nuclear spin was performed by means of external electric fields instead of a magnetic field. This original idea has several advantages. Besides a tremendous reduction of Joule heating, electric fields allow for fast switching and spatially confined spin control. However, to couple the spin to an electric field, an intermediate quantum mechanical process is required. Such a process is the hyperfine interaction, which, if modified by an electric field, is also referred to as the hyperfine Stark effect. Using the effect we performed coherent rotations of the nuclear spin and determined the dephasing time $T^*_2$. Moreover, exploiting the static hyperfine Stark effect we were able to tune the nuclear qubit in and out of resonance by means of the gate voltage. This could be used to establish the control of entanglement between different nuclear qubits. In summary, we demonstrated the first single-molecule magnet based quantum bit and thus extended the potential of molecular spintronics beyond classical data storage. The great versatility of magnetic molecules holds a lot of promises for a variety of future applications and, maybe one day, culminates in a molecular quantum computer.

En circuit-QED, la technique la plus usuelle pour lire l'état d'un qubit est d'utiliser le couplage transverse entre le qubit et une cavité micro-onde dans la limite dispersive. Cependant, malgré d'importants progrès au cours de cette décennie, obtenir une lecture rapide, en un seul coup et hautement fidèle d'un qubit reste un défi majeur. En effet, la distinction de l'état d'un qubit est limitée par le compromis entre vitesse d'acquisition et précision. Cette limite a pour origine le couplage transverse qui impose deux importantes contraintes expérimentales : premièrement, augmenter les interactions pour lire plus rapidement restreint la durée de vie du qubit via l'effet Purcell. La seconde contrainte est sur la force du signal, qui est limitée pour éviter des transitions non voulues et induites par la mesure. Par conséquent, le défi expérimental à relever avec le couplage transverse est d'acquérir un signal faible en un temps court...Pour surmonter ces limitations, nous voulons changer de paradigme en introduisant un nouveau schéma de lecture qui se base sur un couplage cross-Kerr direct. Ce schéma est obtenu grâce à une molécule artificielle supraconductrice couplée à une cavité micro-onde 3D. La molécule est construite en couplant inductivement deux atomes transmons supraconducteurs. Elle manifeste alors deux modes propres : le mode symétrique qubit transmon et le mode antisymétrique ancilla. En insérant cette molécule dans la cavité de manière optimale, une hybridation transverse entre l'ancilla et la cavité conduit à deux résonateurs faiblement anharmoniques, appelés polaritons. Ces derniers possèdent un couplage cross-Kerr direct et large avec le qubit transmon. En mesurant le signal micro-onde transmis par un polariton, l'état du qubit peut être résolu.Théoriquement, dans ce nouveau paradigme, le qubit est immunisé contre les limitations du couplage transverse tel que l'effet Purcell. Cependant, pour les deux échantillons étudiés, un couplage transverse résiduel existe à cause d'imperfections expérimentales. Même faible, il limite pour l'instant la durée de vie du qubit et nos performances de lecture. Malgré cela, nous avons obtenu une lecture du qubit en un seul coup avec une fidélité allant jusqu'à 97.2 % en 500 ns par une mesure dite de verrouillage grâce à la non-linéarité du polariton. Dans une limite linéaire à faible nombre de photons, nous démontrons une fidélité atteignant 94.7 % en seulement 50 ns de lecture grâce à l'ajout d'un amplificateur paramétrique Josephson. Dans ce régime, les sauts quantiques sont résolus et le qubit est lu de manière non-destructive 99.2 % du temps. / Using the transverse coupling between a qubit and a microwave cavity in the dispersive limit is the most common technique in circuit-QED to readout a qubit state. However, despite important progress in the last decade, implementing a fast single shot high fidelity readout remains a major challenge. Indeed, inferring the qubit state is limited by the trade-off between speed and accuracy. The transverse coupling imposes two significant experimental limitations: firstly, increasing the interaction for faster readout leads to limited qubit lifetime via the Purcell effect. Secondly, the strength of the signal is limited to avoid unwanted measurement-induced transitions. Therefore, the experimental challenge with transverse coupling is to acquire a weak signal in a short time...To overcome these limitations, we want to change this coupling paradigm by introducing a new readout scheme relying on a direct cross-Kerr coupling. This scheme is obtained thanks to a superconducting artificial molecule coupled to a microwave 3D cavity. The molecule is built by inductively coupling two transmon artificial atoms, resulting in two eigenmodes: a symmetric mode, the transmon qubit and an antisymmetric mode, the ancilla. By optimal positioning of the molecule in the cavity, a transverse hybridization between ancilla and cavity leads to two weakly anharmonic resonators, called polaritons. The latter possess a large and direct cross-Kerr coupling with the transmon qubit. By driving one of the polariton, the qubit states can be resolved.Theoretically, in such a coupling scheme, the qubit is immune to the limitation of the transverse coupling such as the Purcell effect. However, for the two studied samples, a residual transverse coupling remains due to experimental imperfections. Even if it is weak, it limits for now the qubit lifetime and the readout performances. Despite this, we observe single shot qubit readout performance with fidelity as high as 97.2 % in a 500 ns latching measurement using the non-linearity of the polariton. In a low photons number linear regime, we report fidelity as high as 94.7 % in only 50 ns thanks to the addition of a Josephson parametric amplifier. In this regime, quantum jumps are resolved and the qubit is measured non-destructively 99.2 % of the time.

abstract: The structural and electronic properties of compositionally complex semiconductors have long been of both theoretical interest and engineering importance. As a new class of materials with an intrinsic compositional complexity, medium entropy alloys (MEAs) are immensely studied mainly for their excellent mechanical properties. The electronic properties of MEAs, however, are less well investigated. In this thesis, various properties such as electronic, spin, and thermal properties of two three-dimensional (3D) and two two-dimensional (2D) compositionally complex semiconductors are demonstrated to have promising various applications in photovoltaic, thermoelectric, and spin quantum bits (qubits).3D semiconducting Si-Ge-Sn and C3BN alloys is firstly introduced. Density functional theory (DFT) calculations and Monte Carlo simulations show that the Si1/3Ge1/3Sn1/3 MEA exhibits a large local distortion effect yet no chemical short-range order. Single vacancies in this MEA can be stabilized by bond reformations while the alloy retains semiconducting. DFT and molecular dynamics calculations predict that increasing the compositional disorder in SiyGeySnx MEAs enhances their electrical conductivity while weakens the thermal conductivity at room temperature, making the SiyGeySnx MEAs promising functional materials for thermoelectric devices. Furthermore, the nitrogen-vacancy (NV) center analog in C3BN (NV-C3BN) is studied to explore its applications in quantum computers. This analog possesses similar properties to the NV center in diamond such as a highly localized spin density and strong hyperfine interactions, making C3BN suitable for hosting spin qubits. The analog also displays two zero-phonon-line energies corresponding to wavelengths close to the ideal telecommunication band width, useful for quantum communications. 2D semiconducting transition metal chalcogenides (TMCs) and PtPN are also investigated. The quaternary compositionally complex TMCs show tunable properties such as in-plane lattice constants, band gaps, and band alignment, using a high through-put workflow from DFT calculations in conjunction with the virtual crystal approximation. A novel 2D semiconductor PtPN of direct bandgap is also predicted, based on pentagonal tessellation. The work in the thesis offers guidance to the experimental realization of these novel semiconductors, which serve as valuable prototypes of other compositionally complex systems from other elements. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Materials Science and Engineering 2020