Les amplificateurs paramétriques Josephson (JPA) se sont révélés être un outil indispensablepour l’étude expérimentale de dispositifs quantiques dans le régime micro-onde ; car ilsrajoutent uniquement le minimum de bruit imposé par la mécanique quantique[1]. Cependant,ces amplificateurs sont beaucoup plus difficiles à utiliser et optimiser que leurs homologuesclassiques. Récemment, plusieurs expériences réalisées avec des circuits supraconducteurs,composés d’une jonction Josephson polarisée en tension en série avec un résonateur microonde,ont montré qu’une paire de Cooper peut traverser la barrière de la jonction par effettunnel en émettant un ou plusieurs photons avec une énergie totale de 2e fois la tensionappliquée. Dans cette thèse, nous montrerons qu’un tel circuit permet de mettre en place unamplificateur micro-onde préservant la phase que nous appelons « Amplificateur basé sur letunneling inélastique de paires de Cooper » (ICTA). Il est alimenté par une tension continueet peut fonctionner avec un bruit très proche de la limite quantique.Nous commencerons en présentant le principe du fonctionnement de l’ICTA. Par analogieavec la théorie quantique des JPAs[2], nous avons étudié les performances de cet amplificateurcomme le gain, la bande passante et le bruit. Ensuite, nous présenterons la premièrepreuve expérimentale d’une amplification proche de la limite quantique sans utilisation d’unepompe micro-onde externe, mais simplement d’une tension continue dans une configurationextrêmement simple. Ces mesures ont été faites sur des échantillons avec des jonctionsen aluminium, dénommés ICTA de première génération. Selon nos résultats théoriques etexpérimentaux, nous avons conçu des circuits hyperfréquences où l’impédance présentéeà la jonction dépend de fréquences spécifiques afin d’optimiser les performances de notreamplificateur. Ces échantillons, dénommés ICTA de seconde génération, ont été fabriquésavec du nitrure de niobium. Une amélioration significative du gain et du bruit a été prouvée.Un tel amplificateur, alimenté par une simple tension continue, pourrait rendre la mesurede signaux micro-ondes au niveau du photon unique beaucoup plus faciles et permettred’intégrer plusieurs amplificateurs sur une seule puce. Il pourrait donc être un élémentimportant pour la lecture de qubit dans les processeurs quantiques à grande échelle. / Josephson parametric amplifiers (JPA), have proven to be an indispensable tool for awide range of experiments on quantum devices in the microwave frequency regime, becausethey provide the lowest possible noise. However, JPAs remain much more difficult to use andoptimize than conventional microwave amplifiers. Recent experiments with superconductingcircuits consisting of a DC voltage-biased Josephson junction in series with a resonator,showed that a tunneling Cooper pair can emit one or several photons with a total energyof 2e times the applied voltage. In this thesis we show that such q circuit can be used toimplement a new type of phase preserving microwave amplifier, which we call InelasticCooper pair Tunneling Amplifier (ICTA). It is powered by a simple DC bias and offers nearquantum-limited noise performance.We start this work by presenting a brief and simple picture of the basic ICTA operatingprinciples. In analogy with the quantum theory of JPAs, we calculate the performances ofthis amplifier such as the gain, bandwidth and noise. Then, we present the first experimentalproof that amplification close to the quantum limit is possible without microwave drive inan extremely simple setup. These measurements are made on a first generation of samplesbased on aluminium junctions. According to our theoretical and experimental results, wehave designed microwave circuits presenting specific frequency-dependent impedances tothe junction in order to optimize the performances of our amplifier. This second generationof ICTA samples is fabricated from niobium nitride and provide significantly lower noiseand higher gain.We expect that once fully optimized, such an amplifier, powered by simple DC voltagescould then make measuring microwave signals at the single photon level much easier andallow to deploy many amplifiers on a chip. It could therefore be an important ingredient forqubit readout in large-scale quantum processors.

Dans cette thèse nous étudions théoriquement de systèmes dissipatifs pompés,décrits par une équation maîtresse de Lindblad. En particulier, nous adressons les problématiques liés à l’émergence de phénomènes critiques. Nous présentons une théorie générale reliant les transitions de phase du premier et deuxième ordres aux propriétés spectrales du superopérateur liouvillien. Dans la région critique, nous déterminons la forme générale de l’état stationnaire et de la matrice propre du liouvillien associée à son gap spectral. Nous discutons aussi l’utilisation de trajectoires quantiques individuelles afin de révéler l’apparition des transitions de phase. En ayant dérivé une théorie générale, nous étudions le modèle de Kerr en présence de pompage à un photon (cohérent) et à deux photons (paramétrique) ainsi que de dissipation. Nous explorons les propriétés dynamiques d’une transition de phase du premier ordre dans un modèle de Bose-Hubbard dissipatif et d’une de second ordre dans un modèle XYZ dissipatif d’Heisenberg. Enfin, nous avons considéré la physique des cavités soumises à de la dissipation à un et deux photons ainsi qu’un pompage à deux photons, obtenu par ingénierie de réservoirs. Nous avons démontré que l’état stationnaire unique est un mélange statistique de deux états chats de Schrödinger, malgré de fortes pertes à un photon.Nous proposons et étudions un protocole de rétroaction pour la génération d’états chat purs / In this thesis we theoretically study driven-dissipative nonlinear systems, whosedynamics is capture by a Lindblad master equation. In particular, we investigate theemergence of criticality in out-of-equilibrium dissipative systems. We present a generaland model-independent spectral theory relating first- and second-order dissipative phasetransitions to the spectral properties of the Liouvillian superoperator. In the critical region,we determine the general form of the steady-state density matrix and of the Liouvillianeigenmatrix whose eigenvalue defines the Liouvillian spectral gap. We discuss the relevanceof individual quantum trajectories to unveil phase transitions. After these general results,we analyse the inset of criticality in several models. First, a nonlinear Kerr resonator in thepresence of both coherent (one-photon) and parametric (two-photon) driving and dissipation.We then explore the dynamical properties of the coherently-driven Bose-Hubbard and of thedissipative XYZ Heisenberg model presenting a first-order and a second-order dissipativephase transition, respectively. Finally, we investigate the physics of photonic Schrödingercat states in driven-dissipative resonators subject to engineered two-photon processes andone-photon losses. We propose and study a feedback protocol to generate a pure cat-likesteady state

L'enjeu de cette étude est de concevoir des rubans supraconducteurs à faible coûts de production, destinés au transport de courant et la limitation de courant. Nous avons utilisé des méthodes originales et peu onéreuses comme le laminage pour l'élaboration du substrat et les méthodes de dépôt chimique « metal organic decomposition » (MOD) et « metal organic chemical vapor deposition » (MOCVD) pour la réalisation des différentes couches. <br />La technique MOCVD à injection s'avère particulièrement bien adaptée à la fabrication de rubans supraconducteurs car elle permet d'obtenir des couches épitaxiées d'YBCO de façon reproductible et sur de grandes longueurs. Cependant, le dépôt de couches tampon par MOCVD sur des substrats métalliques souples provoque leur oxydation et dégrade leur structure cristalline. L'utilisation combinée des techniques de dépôt MOD et MOCVD a permis de solutionner ce problème : le dépôt d'une première couche tampon de La2Zr2O7 (LZO) par MOD dans une atmosphère réductrice d'Ar + 5%H2 permet d'éviter l'oxydation du substrat et de limiter la diffusion d'O2 lors des dépôts suivants par MOCVD. Deux architectures ont été développées et caractérisées : NiWRABiTS/LZOMOD/YBCOMOCVD et NiWRABiTS/LZOMOD/CeO2MOCVD/YBCOMOCVD. L'étude de ces conducteurs a prouvé que de telles architectures permettent d'atteindre de forts courants critiques : respectivement JcLZO/LZO/YBCO = 0.8 MA/cm2 avec Ic/cm = 34 A/cm, et JcNW/LZO/CeO2/YBCO = 1.2 MA/cm2 avec Ic/cm = 54 A/cm, sur des rubans de plusieurs centimètres de long recouverts d'une couche de 800 nm d'YBCO. <br />Une étude TEM a permis de comprendre la croissance des couches de LZO par MOD et d'observer la formation de porosités pendant la pyrolyse des précurseurs. L'étude combinée EBSD/MO a démontré que la microstructure des substrats est transférée à la couche supraconductrice et a une influence néfaste sur la qualité du film d'YBCO. L'utilisation de couches tampons épaisses (e > 150 nm) permet d'estomper ces défauts et d'améliorer les propriétés supraconductrices des rubans.<br />Finalement, des essais fructueux en limitation de courant, et en transport de courant sous contrainte mécanique, ont permis de valider le procédé de fabrication des rubans pour cette application spécifique.

Cette thèse concerne l'étude du rôle des électrons, des phonons et de leur dynamique dans les transitions de phase de deux systèmes fortement corrélés, le composé prototype de Mott (V{1-x}Cr_{x})_2O_3 et le pnicture de fer supraconducteur Ba(Fe_{1-x}Co_{x})_2As_2. Ces systèmes ont été étudiés grâce à deux techniques complémentaires, la spectroscopie de photoélectrons et la réflectivité pompe-sonde. Les mesures de réflectivité transitoire dans (V{1-x}Cr_{x})_2O_3 ont permis de mettre en évidence un durcissement photo-induit du réseau cristallin, dû à la modification ultra-rapide (à l'échelle femtoseconde) de la structure électronique du matériau. La mesure de phonons optiques et acoustiques cohérents a permis de montrer le lien entre excitation électronique, propriétés réticulaires et corrélations électroniques. Des mesures de photoémission résolue spatialement à l'échelle microscopique ont également permis, dans certaines parties du diagramme de phases, la visualisation de domaines isolants de Mott et métalliques. Concernant Ba(Fe_{1-x}Co_{x})_2As_2, la première mesure d'un phonon optique cohérent dans un pnicture de fer a permis d'interpréter la relaxation électronique transitoire de ce système comme gouvernée par un couplage électrons-phonons sélectif. La valeur du couplage électrons-phonons déterminée par cette méthode, lambda=0.12, est trop faible pour que la supraconductivité de ce système soit médiée par les phonons. La structure électronique de Ba(Fe_{1-x}Co_{x})_2As_2 a été mesurée par photoémission résolue en angle à basse énergie de photon, permettant une résolution en énergie et en vecteur d'onde optimales. La dispersion des bandes autour du centre de la zone de Brillouin ainsi que leur symétrie ont ainsi été déterminées, et la modification de structure électronique induite par la transition supraconductrice a été mesurée. Cette dernière consiste en un transfert de poids spectral inter-bandes et l'ouverture de gaps sélectifs, reflétant le caractère complexe de la structure électronique des supraconducteurs multi-bandes.

Des monocristaux de YBa2Cu3O7 ont été préparés par une méhode de flux en creuset d'or. Une analyse des spirales de croissance et des domaines ferroélastiques révélés par une étude en microscopie optique en lumière polarisée et en microscopie électronique a balayage sur la face principale (001) à été effectuée. Un ensemble de caractérisations physico-chimiques (diffraction X, EPMA, détermination de la température critique par mesures électriques, spectroscopie micro-Raman, mesures des susceptibilités alternatives en champ faible) réalisé sur des cristaux bruts de croissance et recuits sous oxygène à permis de relier l'évolution des propriétés supraconductrices à la non stoechiométrie en oxygène. Enfin le phénomène de dégradation atmosphérique de YBa2Cu3O7 à été confirmé par une étude sur monocristal, à l'aide des techniques spectroscopiques (micro-Raman, Auger, XPS)

Les cristaux de phases supraconductrices de formulation générale, TlmBa2Can-1CunO2n+m+2 (avec m=1, 2 et n=1, 2, 3) ont été préparés par une technique de croissance en flux. Chaque phase a été caractérisée par diffraction X (Weissenberg, Buerger, cristal tournant) et par micro-spectroscopie Raman. L'analyse par microsonde électronique a révélé des déficits cationiques par rapport a la formulation idéale. Une étude par HREM a montré dans la plupart des cristaux l'absence d'intercroissance à l'échelle atomique. La température critique a été mise en évidence par mesures électriques, mesures sous champ magnétique continu et susceptibilite alternative. Le comportement magnétique révèle une très forte anisotropie entre les propriétés supraconductrices dans la direction de l'axe c et dans le plan (a, b) (Hc1(c)/Hc1(a,b)=1000 pour la phase 2212). Les courbes d'effet Meissner et d'effet d'écran révèle que l'aimantation est réversible près de Tc et irréversible a plus basse température. La ligne d'irréversibilite (H*, T*) a été caractérisée pour la phase 2212.

Les supraconducteurs à base de mercure sont les matériaux ayant les températures critiques les plus élevées de tous les supraconducteurs connus. Mais leurs applications dans des dispositifs d'utilisation pratique est limitée en raison de leurs difficultés d'élaboration. L'optimisation des méthodes de préparation ouvrira d'importantes possibilités pour les applications cryoeléctroniques.<br /> Dans le cadre de ma thèse j'ai essayé d'optimiser les paramètres de synthèse de couches minces à la base de cuprates de mercure (Hg-1212 ou Hg-1223). Le développement d'une méthode de mercuration sans contact a confirmé que la formation de couches se faisait par phase vapeur. Ceci permettra d'envisager une fabrication d'échantillons de plus grandes dimensions (quelque cm) que celle de ceux que nous fabriquons actuellement. L'utilisation du procédé lift-off de gravure des couches précurseur a permis d'éviter la contamination des couches de cuprates de mercure et donc la dégradation de leurs propriétés supraconductrices. On a ainsi pu réaliser des motifs supraconducteurs au micron intéressants. La mercuration sans contact a aussi permis une limitation de la pollution par les grains de la source de mercure. C'est une amélioration importante pour éviter la création de courts-circuits entre des lignes co-planaires utilisées pour tester la photo-réponse de ce type de supraconducteur. On a trouvé que l'épaisseur de la couche tampon avait une influence sur la formation de la phase supraconductrice. L'épaisseur de la couche de CeO2 modifie les contraintes et l'arrangement des défauts dans cette couche, or ces défauts jouent un rôle critique dans la diffusion de Ca-Cu-O nécessaire à la formation de Hg-1223. L'amélioration de la formation de Hg-1223 diminue le volume des impuretés en surface ce qui permettra d'envisager la fabrication de structures planaires sandwich pour des jonctions de Josephson.<br /> Les structures co-planaires de la phase Hg-1212, sont compatibles pour leur utilisation dans des détecteurs ultra rapides. Ces structures comportent des micro-ponts et peuvent servir pour les études de la supraconductivité à l'échelle micronique ainsi qu'à la fabrication de jonctions Josephson à cette échelle. Dans un autre domaine, on a pu réaliser une structure modèle destinée à l'étude de limiteurs de courants supraconducteurs utilisant ce matériau. L'utilisation de saphir comme substrat permettra d'accéder aux domaines micro-ondes.<br /> Toutes ces structures étaient supraconductrices avec des températures critiques élevées (jusqu'au 110 K pour les lignes co-planaires et les microponts, et jusqu'au 120 K pour les structures modèles pour le limiteur de courant). Cette haute température critique assure la stabilité des propriétés supraconductrices à la température de l'azote liquide (77 K) à laquelle seront testés ces dispositifs.

Le principe d'un SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage) est le stockage d'énergie dans l'induction magnétique créé par une bobine court-circuitée. Dans ce travail, les possibilités offertes par les SMES en matériau supraconducteur haute température critique sont étudiées pour l'application source impulsionnelle. L'étude est plus particulièrement orientée vers l'alimentation de lanceurs électromagnétiques, pour laquelle l'utilisation de SMES est comparée à l'alimentation conventionnelle par banc de condensateurs. Dans ce cadre, de nouveaux concepts de SMES adaptés à la charge sont proposés, permettant des gains conséquents en terme de rendement énergétique global. En parallèle, la faisabilité pratique d'une alimentation de lanceur par SMES est envisagée par la réalisation d'un démonstrateur. Celui-ci est une évolution d'un dispositif existant testé avec succès en 2007. La réalisation de ce démonstrateur a permis de valider des solutions technologiques concernant notamment le refroidissement et la tenue diélectrique d'un SMES hTc de forte puissance. Ce travail est soutenu par la DGA (Délégation Générale pour l'Armement).

La dynamique et la structure interne de la Terre sont mal contraintes en profondeur, car les signaux induits en surface, de faible amplitude et basse fréquence, atteignent le seuil de détection des sismomètres. La gravimétrie devient un outil privilégié d'investigation de la Terre profonde aux longues périodes. Les variations temporelles de la gravité sont enregistrées en permanence par des gravimètres relatifs cryogéniques. Nous étudions les niveaux de bruit de ces stations sur un large spectre de fréquences allant des modes propres sismiques longue période jusqu'aux marées. Nous montrons que les gravimètres supraconducteurs apportent une contribution unique à l'étude des modes de vibration les plus graves qui échantillonnent la Terre de la surface jusqu'au noyau. Nous mettons en avant (1) l'éclatement dû à la rotation et à l'ellipticité du mode propre 0S2 en cinq singlets, (2) la première observation du mode sismique 2S1, après le séisme du Pérou du 23 juin 2001 de magnitude 8.4.<br />Nous nous consacrons à la recherche du mode propre de translation de la graine 1S1 qui n'a jamais été observé sans ambiguïté. Sa détection est primordiale car elle permettrait de contraindre le saut de densité à l'interface graine - noyau liquide, ainsi que la viscosité à cette interface et la stratification du noyau fluide. Pour cela nous développons des méthodes de sommation, de détection automatique des signaux et une famille d'ondelettes.

Ce mémoire présente ma contribution à l'avènement des circuits supraconducteurs comme composant de base des systèmes d'information quantique. Les variables macroscopiques des circuits électriques, telles que la tension et le courant, obéissent aux lois de la mécanique quantique tant qu'elles sont suffisamment découplées de leur environnement. Depuis que les premiers qubits supraconducteurs ont été réalisés il y a 15 ans, leurs temps de cohérence ont augmenté de 5 ordres de grandeur grâce à un meilleur contrôle de l'environnement électromagnétique des jonctions Josephson. Sur ces systèmes remarquables, nous avons réalisé des expériences qui illustrent quelques uns des aspects les plus non classiques de l'information quantique. - Les variables quantiques fluctuent même à température nulle. Ces fluctuations de point zéro imposent à un détecteur d'ajouter au moins un minimum de bruit. Nous explorons les limites quantiques de l'amplification pour des signaux microonde itinérants, et décrivons un circuit supraconducteur concret, le mixeur Josephson, capable d'atteindre cette limite. - Contrairement à l'information classique, l'information quantique peut être stockée de manière délocalisée dans l'espace grâce à l'intrication. Nous décrivons le premier circuit capable d'intriquer deux modes de champ microonde itinérants à différentes fréquences et sur des lignes de transmission séparées. Nous présentons aussi un dispositif capable de stocker un champ microonde intriqué avec un champ propageant. - La mesure d'un système quantique conduit à une réaction sur son état sans équivalent classique. Nous présentons une expérience où la trajectoire de l'état qubit est protégée de la décohérence par rétroaction basée sur la mesure. Cette expérience illustre le rôle central de la réaction d'une mesure quantique pour le contrôle par rétroaction et donc pour la correction quantique d'erreur. - Les mesures faibles fournissent une information partielle sur un système. Comme les mesures quantiques modifient l'état du système, les règles classiques de Bayes doivent être modifiées pour prédire la probabilité de trouver un résultat donné sachant qu'un certain résultat sera trouvé dans une autre mesure future. Nous décrivons une expérience où la fluorescence émise par un qubit est enregistrée dans le temps, ce qui peut être interprété comme une mesure faible et continue du qubit. L'influence de conditions sur les mesures passées et futures est explorée.