UNIVERSITÉ. DE SH E R B R O... Faculté de génie

UNIVERSITÉ. DE SHERBROOKE
Faculté de génie
Département de génie électrique et de génie inform atique
FABRICATION DE RÉSONATEURS EN
NIOBIUM POUR LE TRAITEMENT DE
L’INFORMATION QUANTIQUE AVEC
DES QUBITS DE SPIN
Mémoire de m aîtrise
Spécialité : génie électrique
François MICHAUD
Jury : Serge CHARLEBOIS (directeur)
Michel PIORO-LADRIÈRE (co-directeur)
Alexandre BLAIS
François BOONE
Sherbrooke (Québec) Canada 18 Avril 2013

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RÉSUMÉ
Ce mémoire traite des aspects expérimentaux de la réalisation de résonateurs supracon
ducteurs pour le transport de l’information quantique. Les avancées technologiques des dix
dernières années et le développement de l’électrodynamique quantique en circuit ont permis
de démontrer que les bits quantiques (qubits) supraconducteurs couplés à des résonateurs
supraconducteurs sont capables d ’effectuer des opérations quantiques très rapidement. Il
y a maintenant un intérêt pour l’intégration de qubits de spin aux résonateurs afin de
combiner leurs avantages avec ceux des qubits supraconducteurs. Dans ce contexte, il est
nécessaire de fabriquer des résonateurs avec un champ magnétique critique élevé.
Des couches minces de niobium ont été déposées par pulvérisation cathodique DC. On
présente la caractérisation de la température critique et du champ magnétique critique
à l’aide de mesures de résistivité et de susceptibilité magnétique. Une corrélation entre
la résistivité, la température critique et le facteur de qualité des résonateurs fabriqués a
été observée. Une analyse par spectroscopie de photoélectrons X d’un des échantillons a
confirmé une quantité élevée d ’impuretés dans le niobium.
Des résonateurs en niobium avec des facteurs de qualité de 200 à ~4400 ont été fabriqués
sur silicium et GaAs. À partir de la dépendance en température de la résonance, l’impé
dance de surface est décrite par le modèle Mattis-Bardeen et le modèle deux fluides. Les
pertes observées à basse température sont attribuées à la résistance de surface résiduelle
du niobium causée par la présence d’impuretés.
On caractérise également la variation du facteur de qualité des résonateurs en fonction
de l’intensité du champ magnétique et la puissance d’excitation. Les pertes et l’hystérésis
observées sont décrites par la dynamique des vortex de flux magnétique dans le niobium.
On détermine un champ magnétique critique pour le fonctionnement des résonateurs se
trouvant entre 0.2 T et 0.6 T. Ces résultats montrent que les résonateurs fabriqués sont
adéquats pour l’intégration de qubits de spins.
M ots-clés : résonnateurs supraconducteurs, microfabrication, circuits hautes fréquences,
mesures cryogéniques, résonance de spin, ordinateurs quantiques

REMERCIEMENTS
J ’ai le plaisir de remercier tous ceux qui ont rendu ce travail possible. Premièrement,
j ’aimerais remercier le Prof. Michel Pioro-Ladrière et le Prof. Serge Charlebois pour m’avoir
donné l’opportunité de travailler sur ce sujet excitant. Ce n’est pas tous les jours qu’un
ingénieur électrique a la chance d’étudier les supraconducteurs, la fabrication en salles
blanches, les micro-ondes et l’informatique quantique en même temps ! Je remercie aussi
le Prof. François Boone, pour m’avoir introduit au monde de la recherche et pour ses
conseils en électronique haute fréquence.
Merci à Dany Lachance-Quirion et Michel Pioro-Ladrière pour leur aide lors de la ca
ractérisation. J’aimerais également remercier le personnel des salles blanches et des salles
propres pour leur support constant, particulièrement Michael Lacerte, Christian Sarra-
Bournet, Pierre Langlois, Denis Pelle, Mélanie Cloutier et René Labreque. Merci aussi au
Prof. Patrick Fournier du département de physique pour les mesures de magnétisation
et Sonia Biais au centre de caractérisation des matériaux pour les mesures XPS. Merci
à Florian Ong de l’Institute for Quantum Computing à Waterloo (Ontario) pour avoir
partagé sa recette de fabrication de résonateur que j ’ai adapté pour ce travail. Merci à
Jean-Philippe Richard pour m ’avoir aidé avec mes premières images au microscope élec
tronique.
Finalement, j ’aimerais remercier mes collègues qui ont été là depuis le début du baccalau
réat en génie électrique jusqu’à la maîtrise : Frédéric Bourque, Jean-Philippe Richard et
Jean-Nicolas Mélançon. Merci pour votre support moral et bonne chance pour le reste !