Les sujets de thèses

Cette thèse en cotutelle avec l'institut quantique de l'université de Sherbrooke vise à la détection d'un spin unique par un résonateur micro-onde supraconducteur, dans deux systèmes distincts: un qubit basé sur le spin d'un électron unique localisé dans une boîte quantique d'une part, et un centre NV dans le diamant d'autre part.

Dans le premier cas, bien que le qubit de spin soit présentement considéré comme un candidat de choix pour le traitement quantique de l’information, la méthode de lecture actuellement privilégiée est destructive. Le projet proposé à l’Université de Sherbrooke vise à démontrer expérimentalement un nouveau type de mesure non destructive utilisant la modulation paramétrique du couplage longitudinal entre un résonateur supraconducteur et le spin.

Dans le second cas du centre NV unique, sa détection purement inductive par un résonateur de faible impédance caractéristique sera développée au CEA-université Paris-Saclay.

Intriquer deux systèmes quantiques qui n'interagissent jamais directement est une fonction essentielle en traitement de l'information quantique et constitue la base d'une architecture modulaire pour le calcul quantique. Lorsque le protocole pour générer des paires intriquées repose sur des photons uniques véhiculant l'information quantique le long des canaux d'information, ils peuvent être rendus robustes vis à vis des pertes de photons. Aujourd'hui, ces protocoles basés sur des photons sont couramment implémentés



L'intrication de deux systèmes quantiques distants qui n'interagissent jamais directement est une primitive essentielle en science de l'information quantique et constitue la base de l'architecture modulaire de l'informatique quantique. Lorsque les protocoles permettant de générer ces paires distantes intriquées reposent sur l'utilisation de photons uniques propageant l'information quantique, ils peuvent être rendus robustes vis à vis des pertes de photons. Aujourd'hui, ces protocoles basés sur des photons sont implémentés de manière routinière dans le domaine optique en s'appuyant sur des détecteurs de photons à hautes performances. La transposition de tels protocoles dans le domaine des hyperfréquences permettrait une architecture de traitement de l'information quantique dans laquelle divers modules de calcul quantique à échelle modérée sont reliés par des lignes de transmission avec perte sur lesquelles l'intrication est distribuée. Cette architecture de réseau quantique est l’une des propositions du calcul quantique à grande échelle, même si elle a jusqu’à présent été entravée par l'absence de détecteurs de photons à faible compte d'obscurité dans le domaine micro-onde. En effet, les photons micro-ondes ont des énergies inférieures de 5 ordres de grandeur aux photons optiques et sont donc inefficaces pour déclencher des phénomènes mesurables à des échelles macroscopiques. Cette thèse s'inscrit dans le cadre d'un projet de recherche à long terme du groupe Quantronique visant à combiner dans une architecture modulaire, des oscillateurs électriques supraconducteurs et des défauts ponctuels dans des monocristaux de haute qualité. La thèse de doctorat visera à étudier et développer des détecteurs de photons à hautes performances basés sur des circuits supraconducteurs afin de fournir la première démonstration de l'intrication à distance d'un défaut monocristallin avec un qubit supraconducteur.

Défiant notre intuition classique, l'effet tunnel a fasciné les physiciens pendant des décennies. Très vite après sa découverte, se posa la question de combien de temps passent les particules qui "tunnellent" sous la barrière classiquement interdite. Malgré son conté intuitif, cette question est mal posée du point de vues des observables quantiques, et n'admet donc pas de réponse unique ce donnant lieu a de multiples définitions correspondantes à différentes expériences de pensée.



Suivant un proposition de Büttiker et collaborateurs [1], nous proposons d'étudier expérimentalement cette question du point de vue d'une observable bien définie: en mesurant le spectre des fluctuations temporelles du nombre des particules se trouvant sous la barrière de potentiel classiquement interdite. L'idée consiste à exploiter des gaz bidimensionnels d'électrons ou des barrières de potentiel sont générées en appliquant un champ électrostatique à des grilles couplées capacitivement. Les même grilles peuvent aussi être utilisées pour collecter les charges miroir qui se développent en réponse aux fluctuations de densité présentes sous la barrière de potentiel et qui sont générées par les électrons qui "tunnellent". Malgré la simplicité conceptuelle, implémenter cette expérience suppose un défi technique, car cela demande de mesurer un petit signal radiofréquence émis par une source de très haute impédance de sortie dans un environnement cryogénique (sub-Kelvin). Afin de répondre à ce défi, nous nous appuierons sur l'expertise du groupe dans le design microondes, ainsi que dans les techniques de mesures RF de très bas bruit dans des environnements cryogéniques, notamment en implémentant des techniques récemment développées pour s'adapter à des hautes impédances [2] nous permettant ainsi de collecter efficacement le signal dans une chaine de détection RF.



Dans un deuxième temps, nous proposons de conduire des expériences similaires dans des conditions expérimentales où l'interaction électron-électron modifie fortement le transport à travers la barrière de potentiel. Notamment, une transition de phase quantique métal/isolant est pilotée par cette interaction lorsqu'un fil 1D présente une impureté, donnant lieu à une dynamique de liquide quantique fortement corrélé [3] (Liquide de Tomonaga-Lutinger). Des études théoriques récentes [4] ont mis en avant que le temps de résidence sous la barrière joue un rôle proéminent dans cette physique, nous souhaitons donc tester ces prédictions pendant la deuxième partie de la thèse.



L'étudiant participera au design microonde des échantillons, à leur fabrication en salle blanche, ainsi qu'à leur mesure en exploitant des techniques de mesure ultra bas bruit dans le proche DC et dans les radiofréquences. Il apprendra aussi les techniques cryogéniques sub-Kelvin en travaillant notamment avec un réfrigérateur à dilution.



Références :

[1] Pedersen, van Langen, and Büttiker, Phys. Rev. B 57, 1838 (1998)

[2] Rolland et al., https://arxiv.org/abs/1810.06217

[3] Anthore et al., Phys. Rev. X 8, 031075 (2018)

[4] Altimiras, Portier and Joyez, Phys. Rev. X 6, 031002 (2016)

L'objectif de ce projet est d'explorer par des mesures de bruit le transport quantique de chaleur dans les nouveaux états de la matière apparaissant dans le graphène ultra-propre sous fort champ magnétique.



L’obtention d’échantillons de graphène (un cristal bidimensionnel d’atomes de carbone dans un réseau en nid d’abeilles) ultra-propres a récemment permis l’observation de nouveaux états de la matière condensée dans le graphène sous fort champ magnétique. En particulier, de nouveaux états de l’effet Hall quantique ont été observés pour des très faibles densités de porteurs de charge [1], pour lesquelles les interactions et les corrélations électroniques peuvent rendre le graphène totalement isolant, ou faire donner lieu à un régime d’effet Hall quantique de spin. Dans celui-ci, l’intérieur du plan de graphène est isolant, et le courant électrique est transporté uniquement le long des bords, chaque orientation de spin se propageant dans une direction opposée. La nature exacte de ces différents états n’est pas encore complètement connue, du fait notamment qu’il n’est pas possible de sonder les propriétés des régions isolantes par des mesures usuelles de transport électronique.



Nous proposons une nouvelle approche pour sonder ces phases, basée sur la mesure du flux quantique de chaleur transporté par les excitations neutres de ces systèmes, comme les ondes de spin, à très basse température. Notre méthode consistera à connecter le graphène avec des petites électrodes métalliques qui serviront de réservoirs thermiques. La température de chacun de ces réservoirs sera déterminée à l’aide de mesures de bruit ultra-sensibles [2], ce qui donnera accès au flux de chaleur.



La première étape consistera à fabriquer les échantillons de graphène encapsulé dans du nitrure de bore hexagonal [3]. Cette technique, récemment développée au laboratoire, permet d’obtenir des cristaux de graphène ultra-purs, et de relativement grande taille. En parallèle, une plate-forme expérimentale pour effectuer des mesures de bruits ultra-haute sensibilité, à très basse température et forts champs magnétiques, sera mise en place au laboratoire.



[1] Young et al., Nature 505, 528-532 (2014).

[2] Jezouin, Parmentier et al., Science 342, 601 (2013).

[3] Wang et al., Science 342, 614 (2013).

L'information quantique a émergé au cours des dernières décennies comme un nouveau pilier scientifique à la croisée des chemins entre la physique quantique et le traitement de l'information. En particulier, le calcul quantique est prometteur pour surpasser calcul classique en offrant une accélération considérable à certaines catégories de problèmes difficiles tels que la factorisation de grands entiers, la recherche dans une base de données non structurée, ou à plus court terme en aidant à la résolution des systèmes quantiques à N-corps en chimie, en matière condensée ou en physique nucléaire. Les bits quantiques sont les supports fondamentaux de l'information quantique, de nombreux systèmes de matière condensée possèdent des degrés de liberté capables de retenir fidèlement cette information quantique, en particulier dans les oscillateurs électriques supraconducteurs ou dans les défauts cristallins des matériaux de haute qualité. La thèse s'inscrit dans un projet de recherche à long terme du groupe Quantronique visant justement à combiner ces deux types de systèmes quantiques dans une structure hybride: des impuretés piégées dans des solides formeraient des éléments de mémoire haute- fidélité dans des processeurs quantiques supraconducteurs.