Th. doct.-ing.--Grenoble 1, 1985.

Les systèmes de télécommunication de type radio logicielle ou "Software Defined Radio" (SDR) exploitent les techniques numériques qui permettent leur reconfigurabilité, que ce soit en termes de fréquence, de bande passante utilisée, ou de méthode de modulation/démodulation des signaux. Ceux-ci nécessitent des architectures permettant la numérisation des signaux analogiques RF à des fréquences d'échantillonnage de plusieurs dizaines de GHz, avec des bandes passantes de plusieurs dizaines de MHz et une résolution supérieure à 10 bits. Ces objectifs sont très difficiles à atteindre avec la technologie actuelle des semi-conducteurs. La logique à quantum de flux magnétique ou logique "Rapid Single-Flux-Quantum" (RSFQ) se présente comme un candidat séduisant pour la conception de tels systèmes.En effet, celle-ci permet d'atteindre des fréquences d'horloge de plusieurs centaines de GHz pour une consommation d'environ 100 nW par porte logique. Le travail de thèse a consisté en la réalisation d'un prototype de chaîne de réception RF analogique-numérique en technologie RSFQ. L'étude et la conception des différents blocs la constituant comme le convertisseur analogique-numérique et ceux de traitement du signal numérisé en aval a été réalisée. Les premiers résultats expérimentaux confirment la fonctionnalité des cellules RSFQ de base constituant le bloc de traitement numérique. La difficulté à faire fonctionner expérimentalement les blocs plus complexes a soulevé la question de la sensibilité des cellules RSFQ aux perturbations magnétiques extérieures. Cette problématique a été étudiée sur des circuits RSFQ simples et a permis de conclure qu'un champ magnétique externe de quelques dizaines de $mu$T était suffisant pour dégrader le fonctionnement de tels circuits. Une solution de prise en compte des effets d'un champ magnétique externe dans le simulateur utilisé a été développée pour anticiper ces problèmes dès la conception. Celle-ci a été validée expérimentalement avec un Superconducting Quantum Interference Device (SQUID). / Information and telecommunication Software Defined Radio (SDR) systems are mainly based on digital techniques, which enable to easily reconfigure them, in terms of frequency, bandwidth and modulation techniques. They can process the information entirely in a digital way, by directly sampling the input RF signal and require analog-to-digital converters with strong performances. Indeed, SDR systems have to work at sampling frequencies of several tens of GHz, with large bandwidths and a suitable resolution ($geq$ 10 bits). Rapid-Single-Flux-Quantum logic (RSFQ) seems to be an interesting solution to design such systems. This technology can reach clock frequencies of several hundreds of GHz with a power consumption of only 100 nW per logic gate. This work deals with the design of a superconductive RF front-end receiver based on RSFQ technology. The study of the different parts of the chain was done, such as the analog-to-digital converter and the signal processing part of the digital signal. Experimental results confirm that all simple RSFQ cells work with correct margins. Complex circuits work with more difficulty, raising the issue of the sensitivity of RSFQ cells to external magnetic disturbances. This point was studied on basic RSFQ cicuits and shows that a magnetic field of about 10 $mu$T is sufficient to spoil the operation of the circuit. Moreover, a solution to take into account magnetic effects in the simulation of the circuits was developed and experimentally validated on a Superconducting Quantum Interference Device (SQUID).

Un atome de Rydberg circulaire et un champ électromagnétique stocké dans une cavité supraconductrice de très grand facteur de qualité constituent un système simple, bien isolé de son environnement et permettant d'étudier l'interaction rayonnement-matiére. Dans ce mémoire nous présentons une expérience réalisé dans une situation où l'atome et le champ sont en résonance. Le signal de Rabi correspondant à l'évolution de la population atomique présente des composantes de Fourier dont les fréquences sont proportionnelles aux racines carrées des entiers successifs ; ceci met directement en évidence la quantification du champ dans la cavité. Nous montrons également que l'analyse des signaux permet de remonter aux propriétés statistiques du champ. Enfin, en analysant l'interaction non résonante de l'atome avec la cavité, nous montrons que dans un futur proche, il sera possible de préparer des superpositions quantiques d'états du champ présentant des différences mésoscopiques. Ces états sont de type "chat de Schrödinger". L'étude de la décohérence de ces états en fonction du nombre de photons que contient le champ permet d'explorer la frontière qui existe entre le monde quantique et le monde classique.

Le coupleur de puissance utilisé pour les cavités supraconductrices de la section haute énergie du Linac de EUROTRANS doit transférer 150kW de puissance RF au faisceau de protons. Les pertes RF par effet Joule et diélectriques dans les différents éléments du coupleur (conducteur interne, conducteur externe et fenêtre) opérant à cette puissance sont relativement élevées. Par conséquent, il est nécessaire de le refroidir efficacement afin d'assurer un fonctionnement stable et fiable du système d'accélération (coupleur–cavité). Après avoir évaluer toutes les pertes dans le coupleur, les calculs thermiques et les résultats des simulations numériques ont permis de dimensionner et valider le circuit de refroidissement du conducteur interne. Nous avons également conçu, dimensionné et optimisé le circuit de refroidissement du conducteur externe en spécifiant ses caractéristiques hydrauliques et thermiques. Ensuite, nous avons mis en oeuvre et réalisée avec succès une expérience dédiée à l'étude de l'interaction thermique entre la cavité et le coupleur de puissance. Le principal résultat de cette expérience est la mesure expérimentale de la charge thermique critique que peut supporter la cavité sans dégradation sensible de ses performances RF. La valeur de la charge thermique critique mesurée, qui est comprise entre 3W et 5W, constitue un critère essentiel pour qualifier les performances de l'échangeur du conducteur externe qui utilise l'hélium supercritique comme fluide réfrigérant. Enfin, une station d'essai, destiné à la qualification de l'échangeur du conducteur externe dans des conditions similaires à celles de son fonctionnement dans le cryomodule, a été conçue et réalisée avec succès. Les résultats expérimentaux ont montré les excellentes performances thermiques de l'échangeur pour un fonctionnement à une puissance RF de l'ordre de ~750kW soit plus que cinq fois la puissance RF nominale 150kW. En effet, Le flux résiduel maximum mesuré pour une charge thermique de 127W, simulant les pertes RF dans le coupleur, est de 60mW. Par ailleurs, la comparaison entre les températures mesurées et calculées à l'aide d'un modèle thermique 2D axisymétrique a permis d'identifier un coefficient d'échange global pour différents débits. Enfin, une étude expérimentale préliminaire sur les instabilités thermohydrauliques de l'hélium supercritique, a été menée. Ainsi nous avons pu établir un diagramme de stabilité basé sur des paramètres adimensionnels. Ce diagramme montre clairement que nos données expérimentales sont en accord et complètent les données d'autres expériences similaires.

Dans le contexte d'un contrat de la Délégation Générale pour l'Armement (DGA) avec la société Nexans, le CRTBT-CNRS a développé une bobine supraconductrice de stockage d'énergie, ou SMES Superconducting Magnetic Energy Storage), avec des rubans PIT Bi-2212 pour un fonctionnement à 20 K. L'utilisation d'un bobinage supraconducteur permet de stocker l'énergie électrique sous forme magnétique sans conversion d'énergie, ceci pendant des temps très longs. Le bobinage stocke 800!kJ à décharger en 1 s pour atteindre une puissance de 500 kW sur la charge, ce qui génère une tension maximale de 5 kV. La cryogénie est réalisée avec des pièces en cuivre qui relient les cryoréfrigérateurs et le bobinage, avec différence de température de 2 K au maximum. L'interface HT (Haute Tension) entre les drains et le bobinage a une tenue diélectrique de 5 kV et permet de refroidir efficacement les amenées de courant et les 26 galettes, soit 40 km de ruban. L'énergie dissipée dans le cuivre et le bobinage pendant la décharge représente 1 l'énergie stockée. Des mesures thermiques à 20 K ont été réalisées sur des échantillons pour mesurer l'interface!HT par exemple, puis sur un bobinage de dimensions réduites pour valider les solutions retenues. Le procédé de coétamage des rubans supraconducteurs développés par Nexans permet d'adapter la géométrie du conducteur à sa situation dans le bobinage. Les essais des dix premières galettes bobinées a validé la cryogénie développée. L'étude d'extrapolation pour un SMES de 20 MJ présente une géométrie torique adaptée à un refroidissement par thermosiphon avec un câble bi-étagé Rutherford / 6+1 en fils ronds de Bi-2212.

Les atomes de Rydberg couplés à des cavités supraconductrices sont des outils remarquables pour l’exploration des phénomènes quantiques élémentaires et des protocoles d’information quantique. Ces atomes «géants» ont des propriétés uniques. Ils sont soumis à une forte interaction dipôle-Dipôle, fonction de la distance interatomique, qui est responsable du mécanisme de blocage dipolaire : dans le régime de Van der Waals, l’énergie d’interaction croît comme n11, où n est le nombre quantique principal. Si on illumine un nuage atomique avec un laser d’excitation à la fréquence de la transition de Rydberg pour un atome isolé, on s’attend à exciter au plus un atome dans un volume de blocage de ⇠ 8(μm)3. Nous avons mis en place une expérience pour préparer un atome de Rydberg de façon déterministe. Elle utilise un petit nuage d’atomes de rubidium 87 dans l’état fondamental, piégés magnétiquement sur un puce à atomes supraconductrice à 4 K, et excités à l’aide de lasers vers les états de Rydberg. L’effet de blocage dipôlaire est sensible à l’élargissement spectral de la transition par des champs électriques parasites. Une fois unatome excité dans l’état cible 60S1/2↵, nous explorons les transitions atomiques étroites, de longueur d’onde millimétrique, entre états de Rydberg pour étudier ces champs parasites. La surface de notre puce étant couverte d’une pellicule d’or, nous observons comme d’autres groupes de recherche de forts gradients de champs électriques, dus au dépôt progressif d’atomes de rubidium à la surface de la puce. Nous contournons le problème, en déposant une couche de rubidium métallique sur la puce. Les gradients sont alors réduits d’un ordre de grandeur. Cette amélioration nous permet d’observer des temps de cohérence très élevés, de l’ordre de la milliseconde, pour des atomes de Rydberg au voisinage d’une puce supraconductrice.Sur le plan théorique, nous présentons un protocole simple pour la création rapide et efficace de superpositions quantiques de deux champs cohérents d’amplitudes classiques différentes dans une cavité. Il repose sur l’interaction de deux atomes à deux niveaux avec le champ dans la cavité. Leur détection avec une grande probabilité dans un état bien défini projette le champ dans une superposition mésoscopique d’états du champ. Nous montrons que ce protocole est nettement plus efficace que ceux utilisant un seul atome. Nous réalisons cette étude dans le contexte de l’électrodynamique en cavité (CQED), où les atomes à deux niveaux sont des atomes de Rydberg de grand temps de vie interagissant avec le champ d’une cavité micro-Ondes supraconductrice. Mais ce travail peut également s’appliquer au domaine en plein essor de l’électrodynamique quantique des circuits. Dans ces deux contextes, il peut conduire à d’intéressantes études expérimentales de la décohérence à la frontière quantique-Classique. / Rydberg atoms and superconducting cavities are remarkable tools for the exploration of basic quantum phenomena and quantum information processing. These giant atoms are blessed with unique properties. They undergo a strong distance-Dependent dipole-Dipole interaction that gives rise to the dipole blockade mechanism: in the Van der Waals regime, this energy shift scales as n11, where n is the principal quantum number. If we shine an excitation laser tuned at the frequency of the isolated atomic transition on an atomic cloud, we expect to excite at most one atom within a blockade volume of ⇠ 8(μm)3. We have set up an experiment to prepare deterministically one Rydberg atom. It uses a small cloud of ground-State Rubidium 87 atoms, magnetically trapped on a superconducting atom chip at 4 K, and laser-Excited to the Rydberg states. The dipole blockade effect is sensitive to the line broadening due to the stray electric fields. Once an atom has been excited to our target state HH 60S1/2↵, we explore the narrow millimeter-Wave transitions between Rydberg states in order to assess these stray fields . With a gold-Coated front surface for the chip, we observe as other groups large field gradients due to slowly deposited Rubidium atoms. We circumvent this problem by coating the chip with a metallic Rubidium layer. This way the gradients are reduced by an order of magnitude. This improvement allows us to observe extremely high coherence times, in the millisecond range, for Rydberg atoms near a superconducting atom-Chip. Theoretically, we present a simple scheme for the fast and efficient generation of quantum superpositions of two coherent fields with different classical amplitudes in a cavity. It relies on the simultaneous interaction of two two-Level atoms with the field. Their final detection with a high probability in the proper state projects the field onto the desired mesoscopic field state superposition (MFSS). We show that the scheme is notably more efficient than those using a single atom. This work is done in the context of cavity QED, where the two-Level systems are circular Rydberg atoms whose lifetime may reach milliseconds, interacting with the field of a superconducting microwave cavity. But this scheme is also highly relevant for the thriving field of circuit-QED. In both contexts, it may lead to interesting experimental studies of decoherence at the quantum-Classical boundary.

Les postulats de la mesure, définissant une mesure Quantique Non Destructive (QND), précisent que la perturbation minimale sur un objet mesuré est une projection de son état. Les appareils de mesure habituellement utilisés se situent largement au-delà de cette limite minimale. Les photodétecteurs usuels en particulier absorbent, donc détruisent, les photons qu'ils détectent. Dans notre expérience d'électrodynamique quantique en cavité, des atomes de Rydberg circulaires et des photons micro-onde confinés dans une cavité supraconductrice interagissent dans le régime de couplage fort. A l'issue de l'interaction les deux systèmes sont intriqués: chacun d'eux emporte une information sur l'autre. Dans le cas désaccordé, l'effet de l'interaction est un simple déplacement d'énergie des niveaux atomiques, résultant en un déphasage du dipôle proportionnel au nombre de photons, mesurable par interférométrie de Ramsey. Les atomes délivrent donc une information sur le nombre de photons présents dans le champ sans l'avoir modifié. Selon ce principe, nous avons pu grâce au long temps de vie de notre cavité réaliser une mesure QND répétée du nombre de photons. L'évolution du nombre de photons en présence de relaxation révèle alors des sauts brusques, appelés sauts quantiques. Notre expérience a permis la première observation de ce comportement pour la lumière. En décrivant à l'aide de la loi de Bayes l'information délivrée par chaque détection atomique, nous avons pu suivre la projection progressive d'un état cohérent vers des états de Fock contenant jusqu'à sept photons. L'analyse statistique de nos résultats fournit une très claire illustration des postulats de la mesure quantique.

Le contrôle de tous les degrés de liberté d'un système simple est un objectif intéressant tant sur le plan fondamental qu'au niveau des applications, à l'information quantique par exemple. Nous avons<br />entrepris la construction d'un dispositif expérimental visant à piéger des atomes de Rydberg circulaires au voisinage d'éléments micro-fabriqués en surface d'une puce. La source primaire de Rubidium est un jet atomique vertical fournissant un flux d'atomes<br />lents. Nous démontrons la possibilité de réaliser la séquence expérimentale suivante. Les atomes sont tout d'abord recapturés à l'intérieur d'un cryostat à Hélium pompé au sein duquel a lieu la suite des manipulations. L'utilisation de techniques de<br />micro-piégeage atomique à la surface d'une puce permet ensuite la préparation d'un nuage froid et dense de Rubidium. Après un processus d'excitation composé de plusieurs échelons lasers et radiofréquences on obtient un atome de Rydberg circulaire unique grâce au phénomène de blocage dipolaire. Cet atome est finalement confiné dans un piège électrique dynamique tirant parti de l'extrême<br />polarisabilité des états atomiques utilisés. Une technique « d'habillage micro-onde » réduit la différence de polarisabilité entre deux niveaux donnés, autorisant ainsi le maintien d'une<br />cohérence quantique sur un temps de l'ordre de la seconde. Le temps de vie atomique est également prolongé grâce à l'inhibition de l'émission spontanée due à la proximité de surfaces métalliques. En<br />dernier lieu, la mesure de l'état atomique final après interaction est effectuée en détectant l'électron d'ionisation grâce à un compteur supraconducteur.

Dans ce mémoire nous présentons l'observation de la décohérence dans une situation simple, modélisant une mesure quantique idéale. Nous exploitons l'interaction entre un champ micro-onde confiné dans une cavité ne contenant que quelques photons et un atome de Rydberg circulaire. Elle crée un état de superposition quantique qui implique simultanément deux états du champ de phases macroscopiquement différentes. La décohérence, i. e. la transformation de la superposition initialement cohérente en un mélange statistique, est observée à l'aide d'un second atome. Celui-ci sonde l'état du champ un certain temps après l'interaction avec le premier atome. Cette étude apporte un élément de réponse expérimental à la question fondamentale que pose la non-existence de superpositions quantiques cohérentes dans le monde macroscopique. Nos résultats sont en très bon accord avec les prédictions théoriques. Ils confirment que le couplage entre un système physique et son environnement se trouve à l'origine de la décohérence.

La détection des états d'un qubit est un élément essentiel dans la réalisation d'expériences d'information quantique. Dans le système étudié, le bit quantique est codé dans les états d'énergie interne d'un atome de Rydberg circulaire à deux niveaux. Dans ce mémoire nous présentons une nouvelle technique de détection des atomes de Rydberg circulaires basée sur l'interaction dispersive d'un atome avec un champ micro-onde mésoscopique à l'intérieur d'une cavité supraconductrice de très grand facteur de qualité. L'indice de réfraction de l'atome, dépendant de son niveau d'énergie interne, déphase le champ micro-onde, et une procédure de détection homodyne transforme l'information codée dans la phase du champ en une information d'intensité. L'intensité finale du champ est lue par un échantillon mésoscopique d'atomes. Il s'agit d'une technique de détection non destructive, puisque le processus de détection n'ionise pas l'atome, mais le projette simplement dans l'état mesuré. De plus, le processus de détection intrique l'état interne d'un atome au niveau d'excitation d'un ensemble de plusieurs atomes, permettant de créer des superpositions cohérentes d'états atomiques mésoscopiques et ouvrant de nouvelles perspectives pour des tests de décohérence Nous présentons le principe de la technique et de nombreux résultats expérimentaux, ainsi que de possibles schémas d'application.