Expériences quantiques dans des circuits supraconducteurs – QuExSuperC

Le circuits quantiques supraconducteurs se sont imposés au cours des dix dernières années comme des systèmes modèles pour réaliser des expériences quantiques. Ces circuits se comportent comme des atomes artificiels. Ils ont ainsi été utilisés pour tester des concepts fondamentaux de mécanique quantique, d’électrodynamique quantique, pour réaliser des opérations élémentaires de logiques quantiques. Ce domaine de recherche est toujours en plein essor et très fructueux. Il est en perpétuelle évolution suite à des développements techniques, à des optimisations expérimentales et à des expériences/propositions innovantes qui ouvrent de nouvelles voies de recherches.
Nous proposons dans ce projet de recherche fondamentale, d’une part de comprendre et lutter contre les processus de décohérence associés aux défauts dans les matériaux et d’autre part de réaliser de nouvelles expériences quantiques originales dans les circuits supraconducteurs. Ces deux objectifs sont étroitement liés et seront menés conjointement.
Afin de réduire les défauts dans les circuits (barrières tunnel, oxide natif), nous proposons de développer l’épitaxie des couches minces supraconductrices et des barrières tunnel. Cette étude ciblera deux matériaux différents : l’épitaxie de l’Aluminium et du Rhénium sur du saphir. En parallèle à cette étude très ciblée, nous testerons une grande variété de substrats, matériaux supraconducteurs et diélectriques afin d’optimiser les propriétés des circuits.
Un effort important sera mené dans le cadre de ce projet afin de caractériser la qualité des circuits par analyses structurales, sondes locales, mesures de transport. Dans les circuits optimisés, nous développerons une technique de caractérisation originale basée sur l’effet tunnel macroscopique résonant. En effet il a été démontré récemment que l’effet tunnel résonant dans les rf-SQUID était très sensible aux bruits extérieurs et aux défauts dans la barrière. Il permettra un diagnostique assez rapide de la qualité des circuits. Finalement nous évaluerons les performances des qubits de phase obtenus en mesurant les temps de cohérence, de relaxation et le contraste de la mesure. Ce premier objectif correspond à une recherche « science des matériaux » dans les circuits quantiques supraconducteurs et constitue une démarche originale dans cette thématique au niveau de l’Europe.
Le deuxième objectif du projet est le développement de deux expériences originales : la première est la mise en évidence d’un découplage dynamique du qubit de phase vis-à-vis des sources de décohérence. Cette expérience s’inspire des techniques RMN. Elle constitue une généralisation de la technique spin-écho. Elle permettra de préciser les processus de décohérence mais aussi d’allonger les temps de cohérence effectifs. La seconde est la réalisation et l’étude d’un circuit quantique supraconducteur ayant un spectre d’énergie à trois niveaux en forme de « V ». Cette propriété est obtenue à partir d’un circuit ayant deux degrés de liberté internes fortement couplés. Un tel système est très utilisé en physique atomique (ions piégés, centres NV,…) mais n’a jamais été considéré dans les circuits supraconducteurs. Nous nous proposons de réaliser et d’étudier un tel atome artificiel à trois niveaux couplé à une cavité. Ce circuit original permet la réalisation de nouvelles expériences dans les circuits quantiques telles l’électrodynamique quantique avec un système à trois niveaux, la réalisation de porte logique conditionnelle et de mesures non destructrices des états quantiques avec potentiellement une grande fidélité, l’effet laser,…
Les résultats obtenus au cours de ce projet intéresseront l’ensemble de la communauté de la nanoélectronique quantique. En effet la réalisation de circuits épitaxiés ouvrira des nouveaux domaines de recherche dans les circuits supraconducteurs hybrides et permettra d’optimiser les applications telles que les micro-réfrigérateur , les détecteurs ultra-sensibles, les SQUID…