Coupling quantum dot circuits to microwave cavities

COUPLAGE DE CIRCUITS DE BOÎTES QUANTIQUES A DES CAVITES MICROONDES

Matthieu Delbecq (1)

1 LPA - Laboratoire Pierre Aigrain

THE PROJECT OF THIS THESIS WAS TO EXPERIMENTALLY REALIZE THE IMPLEMENTATION OF QUANTUM DOT CIRCUITS (QD) IN A CIRCUIT CAVITY QUANTUM ELECTRODYNAMICS (CQED) ARCHITECTURE. THE INTEREST OF SUCH HYBRID SYSTEMS LIES IN THE LIGHT-MATTER INTERACTION THAT OCCURS BETWEEN THE CAVITY MICROWAVE PHOTONS AND THE ELECTRONS OF THE QD. IN THIS THESIS WORK, CARBON NANOTUBES HAVE BEEN CHOSEN AS THE MATERIAL FOR THE QDS. INDEED, IT IS POSSIBLE TO OBSERVE VARIOUS ELECTRONIC TRANSPORT REGIMES IN SUCH SYSTEMS (FABRY-PEROT, COULOMB BLOCKADE AND KONDO). THEIR VERSATILITY IS ALSO A KEYPOINT AS IT IS POSSIBLE TO CONTACT THEM WITH VARIOUS TYPE OF METAL ELECTRODES (NORMAL, SUPERCONDUCTOR, FERROMAGNETIC METAL). THE EXPERIMENTAL REALIZATION OF SUCH DEVICES HAS SHOWN AN ELECTRON-PHOTON COUPLING OF THE ORDER OF 100MHZ, COMPARABLE TO STANDARD CQED COUPLINGS. THIS COUPLING IS TUNABLE BY PURELY ELECTRIC CONTROL. FINALLY, WEHAVE DEMONSTRATED THE DISTANT INTERACTION BETWEEN TWO QDS, SEPARATED BY 80µM, VIA THE MICROWAVE CAVITY PHOTONS. THESE RESULTS SHOWS THAT THESE DEVICES CAN BE USED FOR MANIPULATING THE QUANTUM INFORMATION AS WELL AS FOR SIMULATE ON-CHIP CONDENSED MATTER SITUATIONS. WE HAVE THEREFORE BEEN ABLE TO MEASURE THE QUANTUM CAPACITANCE OF THE QDS, AND IN PARTICULAR IN THE KONDO REGIME. WE HAVE ALSO SIMULATED THE ELECTRON-PHONON POLARONIC SHIFT IN THE CASE OF THE DISTANT INTERACTION BETWEEN THE TWO QDS.

CETTE THESE A EU POUR OBJET DE REALISER EXPERIMENTALEMENT L'INTEGRATION DE CIRCUITS DE BOITE QUANTIQUE (QD) DANS UNE ARCHITECTURE D'ELECTRODYNAMIQUE QUANTIQUE EN CAVITE SUR CIRCUIT (CQED). L'INTERET DE CES SYSTEMES HYBRIDES RESIDE DANS L'INTERACTION LUMIERE-MATIERE QUI S'OPERE ENTRE LES PHOTONS DE LA CAVITE MICROONDE ET LES ELECTRONS DU QD. DANS CE TRAVAIL DE THESE, IL A ETE CHOISI D'UTILISER DES NANOTUBES DE CARBONE COMME MATERIAU POUR LES QDS. EN EFFET, ILS PERMETTENT L'OBSERVATION DE DIFFERENTS REGIMES DE TRANSPORT ELECTRONIQUE (FABRY-PEROT, BLOCAGE DE COULOMB ET KONDO) ET ILS SONT EGALEMENT POLYVALENTS VIS-A-VIS DES MATERIAUX AVEC LESQUELS IL EST POSSIBLE DE LES CONTACTER (METAL NORMAL, SUPRACONDUCTEUR, FERROMAGNETIQUE). LA REALISATION EXPERIMENTALE DE CES DISPOSITIFS A PERMIS DE MESURER UN COUPLAGE ELECTRON-PHOTON DE L'ORDRE DE 100MHZ, COMPARABLE AUX COUPLAGES OBTENUS EN CQED TRADITIONNELLE. CE COUPLAGE EST REGLABLE PAR DES MOYEN PUREMENT ELECTRIQUES. ENFIN, NOUS AVONS MIS EN EVIDENCE L'INTERACTION A DISTANCE ENTRE DEUX QDS SEPARES DE 80µM, PAR L'INTERMEDIAIRE DES PHOTONS MICROONDES. CES RESULTATS DEMONTRENT LE POTENTIEL DE CES DISPOSITIFS POUR DES APPLICATIONS A LA MANIPULATION DE L'INFORMATION QUANTIQUE AINSI QUE LA SIMULATION SUR PUCE DE PROBLEMES DE MATIERE CONDENSEE. NOUS AVONS PU AINSI MESURER LA CAPACITE QUANTIQUE DES QDS, NOTAMMENT DANS LE REGIME KONDO, ET SIMULER LE DECALAGE POLARONIQUE ELECTRON-PHONON, DANS LE CAS DE L'INTERACTION A DISTANCE ENTRE LES DEUX QDS.

Mots clés: PHYSIQUE MESOSCOPIQUE; ELECTRODYNAMIQUE; QUANTIQUE EN CAVITE; TRANSPORT ELECTRONIQUE; COUPLAGE ELECTRON-PHOTON; NANOTUBE DE CARBONE; RESONATEUR SUPRACONDUCTEUR

Domaines: Physique Quantique [quant-ph]

Matthieu Delbecq. Coupling quantum dot circuits to microwave cavities. Quantum Physics [quant-ph]. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2012. English. ⟨NNT : 2012PAO66491⟩. ⟨tel-00828147⟩