Vers le développement de technologies quantiques à base de spins nucléaires dans le diamant

Towards quantum technologies based on nuclear spins in diamond

• Auteur / Autrice : Pierre Jamonneau
• Direction : Jean-François Roch
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique quantique
• Date : Soutenance le 28/10/2016
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École normale supérieure Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1912-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Aimé Cotton (Orsay, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Nicolas Treps
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-François Roch, Nicolas Treps, Dieter Suter, Philippe Tamarat, Vincent Jacques, Ennio Arimondo, Patrice Bertet
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Dieter Suter, Philippe Tamarat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Théorie quantique

Diamant

Spin

Mots clés libres

Spin

Physique quantique

Diamant

Spin

Quantum physics

Diamond

Résumé

A l’heure des mégadonnées, du traitement et de l’échange d’informations de masse, le développement de nouvelles technologies liées à l’information est un défi important de notre société. Pour répondre à ce besoin grandissant, le monde de l’infiniment petit régi par les lois de la physique quantique offre d’importantes possibilités de développement technologique. Cette thèse s’inscrit dans le contexte de l’émergence des nouvelles technologies quantiques basées sur l’utilisation d’atomes artificiels. Nous nous sommes particulièrement intéressés aux possibilités offertes par les spins nucléaires uniques dans le diamant. Le début de ce mémoire de thèse vise à introduire les propriétés du défaut NV du diamant dont le spin électronique peut être utilisé pour détecter les spins nucléaires présents dans la matrice de diamant. Le caractère anisotrope de l’interaction hyperfine entre le spin électronique du centre NV et les spins nucléaires de 13C sera exploité pour initialiser l’état de ces spins nucléaires en tirant profit d’un anti-croisement de niveau. La structure particulière des niveaux d’énergie de ce système de spins à l’anti-croisement de niveaux nous permettra de revisiter le phénomène de piégeage cohérent de population avec un spin nucléaire unique à température ambiante. Enfin, en vue des applications technologiques de ce système, nous présenterons la mise en place d’une expérience de détection micro-onde du spin électronique associé au défaut NV permettant de s’affranchir de l’illumination optique qui représente la source principale de décohérence de l’état quantique des spins nucléaires. Les résultats obtenus dans cette thèse, relatifs au contrôle des systèmes de spins dans le diamant, s’inscrivent dans la perspective de développement des systèmes quantiques hybrides. Ainsi, l’association des longs temps de cohérence des spins nucléaires aux performances de calcul des bits quantiques supraconducteurs est une voie prometteuse de développement des technologies quantiques de l’information.

At a time where processing and exchanging big sets of data is one of the main challenge of our society, the development of technologies related to information based on the principles of quantum physics offer interesting new perspectives. This thesis is within the context of the emergence of new quantum technologies based on artificial atoms. We are particularly interested in the opportunities offered by single nuclear spins in diamond. The beginning of this thesis introduces the properties of the NV coloured center of diamond. In particular, we explain how the NV defect electronic spin can be used to detect nuclear spins dispersed in the diamond matrix. By making use, the anisotropic nature of the hyperfine interaction between the NV electron spin and 13C nuclear spins, we demonstrate nuclear spin initialization close to the nuclear spin levels anti-crossing. The specific structure of the spin system’s energy levels enables us to revisit the phenomenon of coherent population trapping with a single nuclear spin at room temperature. Finally, in the aim of developing new technologies based on this spin system, we describe the beginning of a project going towards the implementation of the micro-wave detection of a single electronic spin in diamond. This project is aiming to get rid of the optical illumination which is the main source of decoherence of the nuclear spin quantum state in diamond. The results obtained in this thesis about the control of spin systems in diamond, can be combined with the development of hybrid quantum systems. Thus, the combination of the long coherence time of nuclear spins with the computing performances of superconducting qu-bits is a promising development of quantum information technology.