Étude par transport électrique de points quantiques colloïdaux

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2012-2013.Les points quantiques colloïdaux (cQD) sont des nanocristaux semiconducteurs permettant, d'un point de vue fondamental, l'étude des effets du confinement quantique. L'étude de ces effets dans les cQD se fait généralement par spectroscopie optique. Les quasi-particules alors étudiées sont des excitons, chacun composé d'une paire électron-trou en interaction. Il est alors a priori impossible de sonder optiquement les niveaux énergétiques des électrons et des trous séparément. La spectroscopie par transport électrique permet d'accéder aux niveaux d'énergie des quasi-particules uniques. De plus, comparativement à la spectroscopie par effet tunnel, il est possible de contrôler la charge du cQD par blocage de Coulomb. Ceci ouvre la porte à des études sur l'effet de charges excédentaires sur les propriétés optiques de cQD par la combinaison de la spectroscopie optique et celle par transport. La spectroscopie par transport électrique d'un cQD peut être réalisée à l'aide d'un transistor à un électron composé d'un cQD unique [l]. Dans ce but, des échantillons possédant la structure à trois terminaux d'un transistor sont fabriqués sur des substrats de silicium sur lesquels une couche d'oxyde de silicium est présente. La source et le drain sont séparés d'une distance nanométrique, nommée nanogap, par gravure à l'aide d'un faisceau focalisé d'ions de gallium. Une grille locale, permettant le contrôle électrostatique du cQD, est située à environ 100 nm du nanogap, où le cQD est connecté. Les fuites de courant entre les terminaux des dispositifs sans cQD sont de l'ordre de 100 GQ, ce qui est suffisant pour permettre l'étude des cQD par transport électrique. Des mesures de transport à deux terminaux sont effectuées à température de la pièce après l'incorporation de cQD de CdSe et de CdSe/CdS à coquille épaisse d'environ 4.2 nm et 12.7 nm de diamètre respectivement. Les tensions de seuil à partir desquelles le courant circule dans le dispositif correspondent approximativement à celles prédites par un modèle de confinement quantique fini. De plus, les mesures de transport révèlent la présence de bruit télégraphique montrant de deux à trois paliers de courant avec des variations relatives aussi grandes que ±20% par rapport à la valeur moyenne du courant. Le bruit télégraphique en transport et le phénomène de clignotement observé en photoluminescence ont potentiellement comme origine commune la présence de charges capturées dans des états de pièges à la surface des cQD

Dispositifs quantiques hybrides basés sur les systèmes de spins et les circuits supraconducteurs

L’ingénierie des systèmes hybrides met à profit des avantages combinés de systèmes quantiques distincts. Cette approche est maintenant reconnue comme étant primordiale pour les technologies quantiques. Cette thèse explore et réalise des dispositifs quantiques hybrides basés sur différents systèmes de spins et circuits supraconducteurs. Dans un premier temps, une approche permettant d’effectuer l’ingénierie du couplage entre un spin électronique et un résonateur est proposée. Cette approche a récemment été utilisée par la communauté pour démontrer le couplage cohérent entre un spin unique et un résonateur supraconducteur. De plus, la mise en évidence de la présence d’un couplage longitudinal promet d’offrir une nouvelle méthode de lecture non destructive pour les qubits de spins. Une nouvelle méthode de magnétométrie est également développée afin de déterminer les propriétés magnétiques des micro-aimants requis pour le couplage spin-résonateur. Par la suite, une plate-forme expérimentale développée pour les dispositifs hybrides est réalisée. La préservation d’un fort facteur de qualité de résonateurs supraconducteurs en présence d’un champ magnétique externe de plus de 3 T est ainsi démontrée. Cette plate-forme a de plus permis l’observation d’un nouveau mécanisme de couplage entre un ensemble de spins paramagnétiques et un résonateur supraconducteur. Ce couplage permet une méthode de lecture analogue à la lecture longitudinale et possède ainsi des applications pour la détection de la résonance de spin électronique. Finalement, un système hybride composé d’un qubit supraconducteur et d’une sphère de grenat de fer et d’yttrium est présenté. Ce système hybride a permis d’observer, pour la toute première fois, les quanta des excitations collectives de spins dans un ferro-aimant de taille macroscopique. Les résultats présentés dans cette thèse démontrent le potentiel des systèmes quantiques hybrides pour offrir de nouvelles fonctionnalités pour les technologies quantiques

Breaking the trade-off between fast control and long lifetime of a superconducting qubit

The rapid development in designs and fabrication techniques of superconducting qubits has helped making coherence times of qubits longer. In the near future, however, the radiative decay of a qubit into its control line will be a fundamental limitation, imposing a trade-off between fast control and long lifetime of the qubit. In this work, we successfully break this trade-off by strongly coupling another superconducting qubit along the control line. This second qubit, which we call a Josephson quantum filter (JQF), prevents the qubit from emitting microwave photons and thus suppresses its relaxation, while faithfully transmitting large-amplitude control microwave pulses due to the saturation of the quantum filter, enabling fast qubit control. We observe an improvement of the qubit relaxation time without a reduction of the Rabi frequency. This device could potentially help in the realization of a large-scale superconducting quantum information processor in terms of the heating of the qubit environments and the crosstalk between qubits.Comment: 22 pages, 13 figures, 1 tabl

Cavity Magnonics

Cavity magnonics deals with the interaction of magnons - elementary excitations in magnetic materials - and confined electromagnetic fields. We introduce the basic physics and review the experimental and theoretical progress of this young field that is gearing up for integration in future quantum technologies. Much of its appeal is derived from the strong magnon-photon coupling and the easily-reached nonlinear regime in microwave cavities. The interaction of magnons with light as detected by Brillouin light scattering is enhanced in magnetic optical resonators, which can be employed to manipulate magnon distributions. The cavity photon-mediated coupling of a magnon mode to a superconducting qubit enables measurements in the single magnon limit.Comment: review article, 54 page

Fast parametric two-qubit gates with suppressed residual interaction using the second-order nonlinearity of a cubic transmon

We demonstrate fast two-qubit gates using a parity-violated superconducting qubit consisting of a capacitively shunted asymmetric Josephson-junction loop under a finite magnetic flux bias. The second-order nonlinearity manifesting in the qubit enables the interaction with a neighboring single-junction transmon qubit via first-order interqubit sideband transitions with Rabi frequencies up to 30 MHz. Simultaneously, the unwanted static longitudinal (ZZ) interaction is eliminated with ac Stark shifts induced by a continuous microwave drive near resonant to the sideband transitions. The average fidelities of the two-qubit gates are evaluated with randomized benchmarking as 0.971, 0.958, and 0.962 for CZ, iswap, and swap gates, respectively

Autonomous quantum error correction of Gottesman-Kitaev-Preskill states

The Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP) code encodes a logical qubit into a bosonic system with resilience against single-photon loss, the predominant error in most bosonic systems. Here we present experimental results demonstrating quantum error correction of GKP states based on reservoir engineering of a superconducting device. Error correction is made autonomous through an unconditional reset of an auxiliary transmon qubit. The lifetime of the logical qubit is shown to be increased from quantum error correction, therefore reaching the point at which more errors are corrected than generated.Comment: 6 pages, 3 figures + 26 pages, 12 figure