Expériences d'optique quantique électronique à l'échelle d'une seule particule

par Hermann Edlbauer

Thèse de doctorat en Nanophysique

Sous la direction de Christopher Bauerle.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Institut Néel (laboratoire) .


  • Résumé

    Au cours des 25 dernières années, il n'y a eu que quelques rapports sur des expériences de type optique quantique avec des électrons. Les progrès réalisés dans ce récent domaine de recherche ont permis de mettre au point des techniques originales pour piéger, déplacer et manipuler les électrons dans des dispositifs à l'état solide. Ces progrès ouvrent de nouvelles perspectives pour l'étude de phénomènes quantiques fascinants tels que l'effect tunnel ou l'intrication avec les électrons. En raison de la contrôlabilité exigée dans les implémentations possibles de circuits logiques quantiques, il est maintenant particulièrement intéressant de réaliser des expériences d'optique quantique électronique avec des électrons volants uniques. Dans cette thèse, nous abordons deux expériences liées, mais conceptuellement différentes, d'optique quantique électronique au niveau de la particule unique. Toutes les expériences menées dans le cadre de cette thèse ont été réalisées à des températures cryogéniques avec des dispositifs définis par Schottky-gates dans des hétérostructures AlGaAs/GaAs. Tout d'abord, nous effectuons une expérience d'interférence d'électrons de type Mach-Zehnder dans le régime de transport balistique. En formant un grand point quantique dans l'une des branches de l'interféromètre, nous étudions le déphasage de la fonction d'onde d'un électron transmis de façon résonnante. Au cours de nos mesures, nous trouvons des signatures d'un comportement de transmission qui reflète les symétries internes des états propres des boîtes quantiques. Nos résultats mettent en lumière la question de longue date d'un comportement de phase de transmission universelle dans des boîtes quantiques en grand taille. Nous avons ainsi posé un jalon important vers une compréhension globale de la transmission par résonance d'électrons volants simples par des boîtes quantiques. Dans une deuxième expérience, nous allons au-delà du régime de transport balistique. Nous utilisons des ondes acoustiques de surface pour transporter un seul électron entre les boîtes quantiques définies par la grille de surface dans un circuit couplé par l'effect tunnel. Nous développons deux blocs de base essentiels pour partitionner et coupler les électrons volants simples dans un tel circuit piloté par le son. En dépassant une efficacité de transfert simple de 99 %, nous montrons qu'un circuit électronique quantique piloté par le son est réalisable à grande échelle. Nos résultats ouvrent la voie à des opérations de logique quantique avec des qubits d'électrons volants qui surfent sur une onde acoustique.

  • Titre traduit

    Electron-quantum-optics experiments at the single particle level


  • Résumé

    In the last 25 years there were several reports on quantum-optics-like experiments that were performed with electrons. The progress is this young field of research brought up original techniques to trap, displace and manipulate electrons in solid-state devices. These advances opened up new prospects to study fascinating quantum mechanical phenomena such as tunneling or entanglement with electrons. Due to the controllability that is demanded in possible implementations of quantum logic circuits, it is now a particularly appealing idea to perform electron quantum optics experiments with single flying electrons. In this thesis we address two related, but conceptually different, electron-quantum-optics experiments at the single-particle level. All of the experiments that were conducted in the course of this thesis were performed at cryogenic temperatures with Schottky-gate defined devices in AlGaAs/GaAs heterostructures. In a first experiment, we perform a Mach--Zehnder type electron interference experiment in the ballistic transport regime. Forming a large quantum dot in one of the interferometer branches, we study the phase shift in the wave function of a resonantly transmitted electron. In the course of our experimental investigations, we find signatures of a transmission behaviour which reflect the internal symmetries of the quantum dot eigenstates. Our measurements shed light on the long-standing question about a universal transmission phase behaviour in large quantum dots. We thus set an important milestone towards a comprehensive understanding of resonant transmission of single flying electrons through quantum dots. In a second experiment, we go beyond the ballistic transport regime. We employ surface acoustic waves to transport a single electron between surface-gate defined quantum dots of a tunnel-coupled circuit of transport channels. In this course, we develop two essential building blocks to partition and couple single flying electrons in such a sound-driven circuit. By exceeding a single-shot transfer efficiency of 99 %, we show that a sound-driven quantum electronic circuit is feasible on a large scale. Our results pave the way for the implementation of quantum logic operations with flying electron qubits that are surfing on a sound wave.