Résumé :
Cette thèse porte sur l’étude de la décohérence quantique, du tunneling intercanal et de la dissipation dans les états entiers et fractionnaires de l’effet Hall quantique, en utilisant la plateforme des gaz bidimensionnels à deux dimensions — qui se forme notamment à l’interface de l’hétérostructure dopée n GaAs/AlGaAs, utilisée ici.
La décohérence quantique traduit la perte du comportement quantique d’un système étudié, ce qui peut notamment être induit par couplage à l’environnement extérieur. L’informatique quantique repose sur le principe de cohérence quantique, et la compréhension des mécanismes donnant lieu à la décohérence permettrait de mieux saisir la théorie de l’informatique quantique, voire la mécanique quantique de manière générale.
Lors de cette thèse, il a été question dans un premier temps de comprendre par quels mécanismes la décoherence a lieu, dans deux situations différentes : dans l’effet Hall quantique entier et dans l’effet Hall quantique fractionnaire (2/3). Puis, dans un dernier temps, la recherche a été dévouée à la fabrication d’un détecteur à électron unique, le dernier maillon de la chaîne manquant pour pouvoir réaliser des opérations avec les qubits volants électroniques — des qubits non pas définis par un système à deux niveaux d’énergie, mais par un système à deux positions spatiales.
Premièrement, dans le cas de l’effet Hall quantique entier, les canaux de bords se propagent tous dans la même direction, fixée dans le cas présent par le sens du champ magnétique appliqué perpendiculairement à l’échantillon, et peuvent être de spin opposés, ce qui ne favorise pas le tunneling intercanal. Cependant, l’hétérostructure dopée n GaAs/AlGaAs, par brisure de symétrie dans la direction perpendiculaire au gaz 2D, possède un couplage spin-orbite par effet Bychkov-Rashba. Ainsi, le spin peut être renversé ce qui est propice au tunneling intercanal élastique. Par ailleurs, la présence de grilles au milieu de l’échantillon, comme le point de contact quantique — qui est associé à un champ électrique déplétant localement le gaz 2D sous sa surface — provoque un soudain changement de direction chez les électrons, et peut donc ainsi provoquer du tunneling au point de changement de courbure spatiale. La présence de tunneling est alors ici mise en évidence par une modélisation du bruit de partitionnement produit par un point de tunneling, et sa mesure.
Secondement, dans le cas de l’effet Hall quantique fractionnaire à 2/3, les canaux de bords sont contre-propageants, favorisant le tunneling intercanal, qui se produit alors de manière fréquente, inélastique et aléatoire. Un modèle très simple de cet effet peut être reproduit en introduisant des “boîtes noires”, les réservoirs de Landauer — ou de manière équivalente, des réservoirs à conservation d’énergie — où le tunneling inélastique est autorisé en son sein. Le modèle converge vers le modèle historique de KFP lorsque suffisamment de réservoirs sont introduits. Et lorsqu’un point de contact quantique est introduit, un plateau de conductance à 0.5 e²/h est prédit, et mesuré lors des expériences effectuées lors de cette thèse. Par ailleurs, la présence de dissipation est montrée et validée. Mais des expériences d’interférométrie de type Hong-Ou-Mandel révèlent une visibilité non nulle, le mécanisme de dissipation ne provoque pas de perte de cohérence quasi-totale.
Finalement, en plus des expériences précédentes, il a été pensé un détecteur à électron unique préservant la cohérence quantique lors de la mesure d’un qubit volant; permettant à celui-ci d’être réutilisé pour des opérations ultérieures, ouvrant ainsi la voie à l’informatique quantique dans les gaz bidimensionnels d’électrons sous le régime d’effet Hall quantique. Si le détecteur a été réalisé, et peut détecter jusqu’à plusieurs centaines d’électrons, les optimisations techniques lui permettant de détecter l’électron unique n’ont pas pu être terminées avant la fin du temps imparti pour cette thèse.
Mots-clés :
Quantum coherence, tunneling and dissipation in integer and fractional-test quantum Hall effect edge channels
Abstract:
Keywords: