Les sujets de thèses

L'un des buts principaux du traitement quantique de l'information est de développer un nouveau type d'ordinateur, l'ordinateur quantique, basé sur des registres de systèmes à deux niveaux d'énergie (bits quantiques ou qubits). L'état quantique de ces registres évoluerait en suivant un algorithme précis qui solutionnerait des problèmes réputés insolubles avec les ordinateurs conventionnels, grâce au parallélisme massif offert par principe de superposition de la mécanique quantique.



Les impuretés de spin dans les matrices cristallines sont des candidats qubit idéaux du fait de leur temps de cohérence quantique naturellement long pouvant dépasser la minute. La grande difficulté non surmontée jusqu'à aujourd'hui est cependant d'arriver à coupler plusieurs de ces spins afin de réaliser des portes logiques quantiques. Cette thèse explorera une idée ambitieuse consistant à coupler chaque spin à un circuit supraconducteur médiant l'interaction entre spins. La première étape consistera à coupler un spin unique au circuit connu sous le nom de "qubit en flux". Ce circuit sera fabriqué directement sur un cristal de diamant enrichi en isotope 12, et contenant un défaut de spin de type centre NV localisé à 10 nm près.

Le but principal à atteindre est de réaliser des opérations quantiques de base où l’information est codée par la présence ou non d’un électron (un qubit volant) se propageant dans un conducteur. Cela demande des sources à un électron pour initialiser le qubit volant, des portes quantiques sous la forme d’interféromètres à un électron, et un détecteur d’électron unique pour observer le résultat final « en un coup ». Pour cette approche « d’optique quantique électronique », les sources d’électrons uniques, analogue électronique de source à photon unique, sont déjà disponibles où les électrons sont injectés sous la forme de l évitons. Les conducteurs quantiques disponibles offrent aussi déjà la possibilité de réaliser les portes quantiques avec des lames semi-transparentes électroniques ou des interféromètres électroniques. Ce projet de thèse propose de réaliser la brique manquante : le détecteur à un électron qui permettra enfin de réaliser des opérations quantiques « en un coup ». Une approche détection de charge ou bolométrique sera envisagée.

Interféromètre à deux électrons dans le graphène.



Le graphène est un candidat particulièrement prometteur comme support pour le traitement de l’information quantique. La réalisation de tout circuit quantique nécessite la validation d'un certain nombre de concepts fondamentaux ou de calculs élémentaires. La génération d’états intriqués dans le graphène est un exemple de calcul quantique élémentaire. Il a été montré qu'une géométrie du type double Mach Zehnder permettait de générer des états intriqués [1,2]. Nous proposons d'adapter cette géométrie au graphène : l’échantillon est composé de quatre jonctions pn. Les électrons sont injectés de contacts indépendants dans deux régions de type n. Ils sont ensuite partitionnés à l’interface entre les régions n et p. La phase accumulée dépend alors de ce coefficient de partitionnement et du flux magnétique à travers le double Mach Zehnder. En variant ce flux magnétique, le bruit de grenaille (ou fluctuations de courant) doit osciller, une signature de l’effet Aharonov-Bohm à deux électrons et de l’intrication orbitale. L’avantage de la géométrie double Mach Zehnder dans le graphène par rapport à une hétérostructure semi-conductrice du type AsGa [2], est qu’elle est extrêmement compacte ce qui devrait permettre de réaliser des opérations plus complexes. Cette expérience mènera à la première démonstration de la violation des inégalités de Bell dans le graphène [1].

Ce projet est un "work package" de mon ERC starting grant obtenue en 2016.



[1] P. Samuelsson et al. , Phys. Rev. Lett. 91, 157002 (2003)

[2] I. Neder et al. , Nature 448, 333 (2007)

Sujet détaillé :

L'information quantique repose sur la manipulation de qubits afin d'augmenter la rapidité du traitement de l'information. Dans la matière condensée, deux approches ont été explorées :

• les qubits statiques, couplés à des bus quantiques pour la manipulation et la transmission d’information

• les qubits "volants" qui sont des qubits se propageant dans des circuits quantiques tout en étant manipulés

La recherche dans le domaine des qubits "volants" a conduit à l’émergence récente de l’optique quantique électronique, où les électrons jouent le rôle de photons dans des expériences analogues aux expériences d’optique quantique. Cette nouvelle approche a permis le développement de l’interférométrie quantique électronique ainsi que des sources à électron unique. Pourtant, ces expériences n’ont été menées avec succès que dans les hétéro-structures semi-conductrices refroidies à très basse température. La réalisation d’expériences d’optique quantique dans le graphène serait la démonstration que l’information quantique dans le graphène est désormais envisageable.

L’un des briques élémentaires nécessaire à la réalisation d’expériences d’optique quantique électronique est la lame séparatrice électronique, qui est l’analogue électronique de la lame séparatrice pour les photons. Cependant, la lame séparatrice électronique habituellement utilisée dans les hétéro-structures semi-conductrices n’existe pas dans le graphène à cause de sa structure de bande sans gap. Nous proposons une percée dans cette direction, en utilisant une jonction pn comme lame séparatrice [1]. Cette jonction pn sera l’élément fondamental d’un nouveau type d’interféromètre de Mach Zehnder. Une étude des propriétés de cohérence quantique du graphène en découlera. Ce sujet de thèse s’inscrit dans le cadre d’un projet financé par l’ERC starting grant COHEGRPAH (2016).





[1] Shot noise generated by graphene p-n junctions in the quantum Hall effect regime N. Kumada, F. D. Parmentier, H. Hibino, D. C. Glattli, and P. Roulleau , Nature Communications, 8, 8068 (2015)

Les électrons dans les supraconducteurs forment des paires de Cooper auxquelles on n’a pas accès individuellement parce qu’elles sont superposées et délocalisées. Des états localisés apparaissent pourtant dans les liens faibles entre électrodes supraconductrices. En utilisant des contacts atomiques, nous avons fait la spectroscopie de ces états [1] et démontré la manipulation cohérente de paires de Cooper localisées [2].



L’objet du stage est de développer des expériences similaires avec des nanofils semiconducteurs d’InAs comme liens faibles entre des supraconducteurs. On s’attend à ce que les temps de cohérence quantique soient plus longs ; en outre, il devrait être possible de manipuler le spin d’électrons localisés parce que le couplage spin-orbite est fort dans l’InAs.



L’étudiant(e) abordera des concepts avancés en mécanique quantique et en supraconductivité. Il apprendra aussi des techniques expérimentales variées : la nanofabrication, les basses températures, les mesures bas-bruit et les mesures microonde. Il/elle sera intégré/e dans un groupe de recherche actif dans le domaine de l’électronique quantique.





[1] L. Bretheau et al., “Exciting Andreev pairs in a superconducting atomic contact”

Nature 499, 312 (2013). arXiv:1305.4091

[2] C. Janvier et al., “Coherent manipulation of Andreev states in superconducting atomic contacts”

Science 349, 1199 (2015), arXiv:1509.03961

Une jonction Josephson (jonction tunnel entre deux électrodes supraconductrices) est le seul composant électrique non linéaire et non dissipatif connu à ce jour. Ces deux propriétés le placent au cœur de tous les composants électroniques supraconducteurs, des magnétomètres à SQUIDs au standard du Volt obtenus grâce à des réseaux de jonction Josephson sous illumination micro-ondes, en passant par les circuits supraconducteurs développés récemment pour l’information quantique.



Cette thèse vise à tester la faisabilité et les propriétés d’un autre dipôle supraconducteur non dissipatif dont le principe a été proposé par Mooij et Nazarov il y a presque dix ans : la jonction à saut de phase quantique (Quantum Phase Slip Junction QPSJ en anglais) [1]. Une QPSJ consiste en un mince fil supraconducteur reliant deux électrodes supraconductrices, et sensé se comporter comme l’exact dual (au sens quantique) d’une jonction Josephson : leurs comportements sont identiques, à condition d’échanger le rôle de la différence de phase supraconductrice et de la charge accumulées aux bornes du dipôle. De même qu’une jonction Josephson réalise la superposition cohérente d’états caractérisés par le transfert par effet tunnel de différents nombres de paires de Cooper, une QPSJ réalise la superposition cohérente d’états caractérisés par des écarts de phase entre les deux électrodes différant de multiples de 2p. On peut se représenter cet état comme la superposition cohérente du transfert tunnel de différents sauts de phase au travers du fil. L’implémentation de QPSJs constituerait une percée majeure en électronique supraconductrice. En irradiant un QPSJ par des micro-ondes, on implémenterait une expérience duale de celle de l’effet Josephson AC : au lieu d’établir une relation métrologique entre la seconde et le Volt, on obtiendrait une relation entre l’Ampère et la seconde. De même, les QPSJ seraient la brique de base d’une électronique supraconductrice de très haute impédance, ouvrant d’innombrables possibilités.



Depuis la suggestion de Mooij et Nazarov [1], une poignée d’expériences ont été menées sur les QPSJ confirmant partiellement les prédictions [2,3], mais soulevant plus de questions qu’elles n’ont apporté de réponses. En particulier, la simple modulation périodique de la charge aux bornes d’un fil supraconducteur n’a pas été clairement observée [4]. L’objectif de cette thèse est de réaliser l’expérience proposée par Hriscu et Nazarov [5], dans le but spécifique de tester cette modulation en charge.



[1] Mooij and Nazarov, Nat. Phys. 2, 169 (2006).

[2] Astafiev et al., Nature 484, 355 (2012),

[3] Peltonen et al. Phys. Rev. B 88, 220506(R) (2013)

[4] Hongisto and Zorin, Phys. Rev. Lett. 108, 097001 (2012)

[5] Hriscu and Nazarov, Phys. Rev. Lett. 106, 077004 (2011)

Les effets thermoélectriques Seebeck et Peltier permettent la conversion d'énergie thermique en énergie électrique et vice-versa. Ainsi l'on peut avec l'effet Seebeck récupérer de la chaleur perdue pour produire de l'électricité. A l'inverse, il est possible en utilisant l'effet Peltier de refroidir localement un dispositif en exploitant de la puissance électrique. Pendant longtemps, ces effets thermoélectriques n'ont montré que des rendements très faibles et ils n'ont ainsi trouvé que des applications marginales. Mais depuis peu, les règles du jeu ont changé : la découverte de nouveaux matériaux prometteurs, les progrès en nanofabrication et la volonté grandissante de répondre aux impératifs d'économie d'énergie ont relancé la recherche.

Nous proposons dans cette thèse théorique d'étudier analytiquement et numériquement la conversion thermoélectrique dans des systèmes mésocopiques de basse dimension. Nous nous intéresserons à un régime loin de l'équilibre où des effets thermoélectriques importants sont attendus. Nous considérerons en particulier des systèmes soumis à un forçage dynamique. D'un point de vue méthodologique, nous utiliserons les outils numériques et le formalisme analytique développés au CEA-Grenoble (groupe de Xavier Waintal) pour l'étude du transport quantique résolu en temps (voir https://kwant-project.org/). Nous l'adapterons au cas du transport thermoélectrique et l'appliquerons sur divers systèmes (boîte quantique, contact ponctuel quantique, nanofils…).