The inelastic Cooper pair tunneling amplifier (ICTA) Les amplificateurs paramétriques Josephson (JPA) se sont révélés être un outil indispensablepour l’étude expérimentale de dispositifs quantiques dans le régime micro-onde ; car ilsrajoutent uniquement le minimum de bruit imposé par la mécanique quantique[1]. Cependant,ces amplificateurs sont beaucoup plus difficiles à utiliser et optimiser que leurs homologuesclassiques. Récemment, plusieurs expériences réalisées avec des circuits supraconducteurs,composés d’une jonction Josephson polarisée en tension en série avec un résonateur microonde,ont montré qu’une paire de Cooper peut traverser la barrière de la jonction par effettunnel en émettant un ou plusieurs photons avec une énergie totale de 2e fois la tensionappliquée. Dans cette thèse, nous montrerons qu’un tel circuit permet de mettre en place unamplificateur micro-onde préservant la phase que nous appelons « Amplificateur basé sur letunneling inélastique de paires de Cooper » (ICTA). Il est alimenté par une tension continueet peut fonctionner avec un bruit très proche de la limite quantique.Nous commencerons en présentant le principe du fonctionnement de l’ICTA. Par analogieavec la théorie quantique des JPAs[2], nous avons étudié les performances de cet amplificateurcomme le gain, la bande passante et le bruit. Ensuite, nous présenterons la premièrepreuve expérimentale d’une amplification proche de la limite quantique sans utilisation d’unepompe micro-onde externe, mais simplement d’une tension continue dans une configurationextrêmement simple. Ces mesures ont été faites sur des échantillons avec des jonctionsen aluminium, dénommés ICTA de première génération. Selon nos résultats théoriques etexpérimentaux, nous avons conçu des circuits hyperfréquences où l’impédance présentéeà la jonction dépend de fréquences spécifiques afin d’optimiser les performances de notreamplificateur. Ces échantillons, dénommés ICTA de seconde génération, ont été fabriquésavec du nitrure de niobium. Une amélioration significative du gain et du bruit a été prouvée.Un tel amplificateur, alimenté par une simple tension continue, pourrait rendre la mesurede signaux micro-ondes au niveau du photon unique beaucoup plus faciles et permettred’intégrer plusieurs amplificateurs sur une seule puce. Il pourrait donc être un élémentimportant pour la lecture de qubit dans les processeurs quantiques à grande échelle.
The inelastic Cooper pair tunneling amplifier (ICTA) Les amplificateurs paramétriques Josephson (JPA) se sont révélés être un outil indispensablepour l’étude expérimentale de dispositifs quantiques dans le régime micro-onde ; car ilsrajoutent uniquement le minimum de bruit imposé par la mécanique quantique[1]. Cependant,ces amplificateurs sont beaucoup plus difficiles à utiliser et optimiser que leurs homologuesclassiques. Récemment, plusieurs expériences réalisées avec des circuits supraconducteurs,composés d’une jonction Josephson polarisée en tension en série avec un résonateur microonde,ont montré qu’une paire de Cooper peut traverser la barrière de la jonction par effettunnel en émettant un ou plusieurs photons avec une énergie totale de 2e fois la tensionappliquée. Dans cette thèse, nous montrerons qu’un tel circuit permet de mettre en place unamplificateur micro-onde préservant la phase que nous appelons « Amplificateur basé sur letunneling inélastique de paires de Cooper » (ICTA). Il est alimenté par une tension continueet peut fonctionner avec un bruit très proche de la limite quantique.Nous commencerons en présentant le principe du fonctionnement de l’ICTA. Par analogieavec la théorie quantique des JPAs[2], nous avons étudié les performances de cet amplificateurcomme le gain, la bande passante et le bruit. Ensuite, nous présenterons la premièrepreuve expérimentale d’une amplification proche de la limite quantique sans utilisation d’unepompe micro-onde externe, mais simplement d’une tension continue dans une configurationextrêmement simple. Ces mesures ont été faites sur des échantillons avec des jonctionsen aluminium, dénommés ICTA de première génération. Selon nos résultats théoriques etexpérimentaux, nous avons conçu des circuits hyperfréquences où l’impédance présentéeà la jonction dépend de fréquences spécifiques afin d’optimiser les performances de notreamplificateur. Ces échantillons, dénommés ICTA de seconde génération, ont été fabriquésavec du nitrure de niobium. Une amélioration significative du gain et du bruit a été prouvée.Un tel amplificateur, alimenté par une simple tension continue, pourrait rendre la mesurede signaux micro-ondes au niveau du photon unique beaucoup plus faciles et permettred’intégrer plusieurs amplificateurs sur une seule puce. Il pourrait donc être un élémentimportant pour la lecture de qubit dans les processeurs quantiques à grande échelle.
Plusieurs domaines technologiques, notamment l’informatique quantique, nécessitent aujourd’hui des amplificateurs cryogéniques faibles en bruit, possédant une large bande passante et un fort gain. Historiquement, ce besoin a été rempli par les amplificateurs Josephson paramétriques (JPA) et plus récemment, par des amplificateurs similaires opérant en transmission nommés des amplificateurs paramétriques à onde progressive, ou encore TWPA. Dans ce mémoire, un nouveau type d’amplificateur à onde progressive utilisant des jonctions de Josephson polarisées en tension est introduit. En utilisant le passage par effet tunnel inélastique de paires de Cooper tel que décrit par la photonique de Josephson, l’amplificateur TWIST (Traveling Wave InelaStic Tunneling) propose une amplification en transmission opérant près de la limite quantique standard du bruit et possédant possiblement une large bande passante, tout en étant alimenté par une tension continue plutôt que par une pompe micro-onde. Après avoir présenté la théorie derrière les dispositifs, des simulations de différents modèles sont introduites. Parmi ces simulations, des gains d’une quinzaine de dB sur une bande passante de plus de 3 GHz sont obtenus. Ensuite, un prototype d’amplificateur TWIST est caractérisé. Le bon fonctionnement de sa structure novatrice de biais de flux magnétique est démontré, tout comme la présence de processus paramétriques dans le dispositif. Bien que les dispositifs mesurés ne présentent pas de fort gain, de meilleures performances pourraient être obtenues en optimisant le processus de fabrication des dispositifs.
Multiplication de photons dans le domaine du micro-onde grâce au tunneling inélastique de paires de Cooper Durant les quinze dernières années, un grand nombre d’expériences d’optique quantique ont été reproduites dans le domaine des micro-ondes. Ces expériences ont été rendues possible grâce au couplage fort entre les champs électromagnétiques et jonctions Josephson au sein de circuits intégrés supraconducteurs.Cette thèse démontre l’existence d’un processus de conversion d’un photon micro-onde vers plusieurs photons avec une fréquence différente. Cette photo-multiplication n’impose théoriquement pas d’ajout de bruit, au contraire d’une amplification non sensible à la phase. Ce processus peut donc être à la base d’un détecteur de photon unique simple, ce qui n’existe pas encore dans le domaine des micro-ondes.Pour obtenir une photo-multiplication efficace, un couplage non-linéaire fort est nécessaire. Nous avons conçu des résonateurs avec une grande impédance caractéristique et les avons couplés avec des jonctions Josephson polarisées avec une tension continue, la jonction étant à l’origine de la non-linéarité nécessaire. Ces résonateurs sont constitués par des bobines planes. Ils sont fabriqués simultanément avec les jonctions Josephson au sein d’un procédé utilisant une tri-couche de niobium. Ce procédé permet la fabrication de jonctions SIS de faible capacité parasite.Expérimentalement, nous avons mesuré une conversion d’un photon vers deux photons avec une efficacité de 90 % et observé la conversion d’un photon vers trois photons, en accord avec la théorie. En principe, ce processus peut être répété pour mettre au point un détecteur de photon-unique, distinguant le nombre de photons simultanés en entrée. Un tel détecteur serait constitué d’au moins deux étages de photo-multiplication puis d’un amplificateur limité quantiquement en sortie.
Photonique Josephson : statistique des photons émis par effet tunnel inélastique de paires de Cooper Ce travail de thèse apporte une contribution au domaine émergent de la photonique de Josephson en étudiant des corrélations entre photons émis par effet tunnel inélastique à travers une jonction Josephson soumise à une différence de potentiel électrique. Nous démontrons la possibilité de modifier fortement la statistique de ces photons en incorporant la jonction dans un environnement électromagnétique soigneusement conçu. Dans ce contexte, nous avons élaboré et mesuré une source de rayonnement micro-onde de forte intensité, capable d'émettre des photons dont les statistiques dites « de groupement » et « de dégroupement » ne dépendent que d'un seul paramètre modifiable in situ.Afin de réaliser cette expérience, nous avons mis en place un montage de type Hanbury-Brown & Twiss pour mesurer les corrélations entre photons à l'aide d'amplificateurs linéaires dans un cryostat à dilution. De plus, nous avons conçu des circuits micro-onde où la jonction est exposée à des impédances dépendant spécifiquement de la fréquence. Pour réaliser ces dispositifs, nous avons développé un procédé de nano-fabrication de jonctions Josephson verticales à base de nitrure de niobium utilisant de l'oxyde de magnésium comme barrière tunnel. Enfin, en vue d'une meilleure compréhension de nos échantillons, nous avons contribué aux avancées théoriques liées à l'extension de la théorie dite P(E) de l'effet tunnel inélastique de paires de Cooper, dans le but de décrire les corrélations entre événements tunnel.Ces résultats ouvrent la voie, non seulement à une évolution de ces sources de lumière vers le domaine fréquentiel du THz, mais aussi à l'élaboration d'autres dispositifs basés sur la même physique, tels que des détecteurs et des amplificateurs proches de la limite quantique.
La photonique Josephson est un domaine recent de la physique a la croisee entre l'electrodynamique quantique en circuit et le blocage de Coulomb dynamique. Elle explique et etudie la possibilite pour une paire de Cooper de traverser une jonction Josephson polarisee en tension par effet tunnel inelastique, en dissipant la difference de potentiel electrique aux bornes de la jonction sous forme de photons emis dans l'environnement electromagnetique de la jonction.
Cette these s'arrete sur deux aspects de la photonique Josephson:
La possibilite de controler la statistique des photons emis dans l'environnement, en particulier Generer des photons non-classiques;
La possibilite de stimuler l'emission de photons, ce qui permet d'Amplifier avec un bruit ajoute a la limite quantique.
Pour fonctionner ces dispositifs ne demandent qu'une simple tension continue servant a polariser la jonction Josephson. A terme ces dispositifs pourraient simplifier certaines mesures quantiques en remplacant avantageusement des dispositifs micro-ondes existants plus difficiles a utiliser.
Nous avons etudie nos dispositifs avec deux theories, la theorie P(E) et celle liant les flux de photons entrant et sortant, pour en tirer les caracteristiques de fonctionnement de nos dispositifs : taux d'emission, gain, bruit, bande passante, point de compression. Les dispositifs experimentaux mesures sont realises en nitrure de niobium en creant un environnement electromagnetique repondant a nos besoins. La possibilite de controler les processus photoniques que l'on veut en realisant l'environnement electromagnetique adapte laisse la porte ouverte a de futures dispositifs : divers sources non-classiques, amplificateurs large bande, detecteurs de photons.
Sources de rayonnement micro-onde quantique par effet tunnel inélastique de paires de Cooper Le passage aléatoire des charges à travers une jonction tunnel génère un bruit en courant, qui peut être capté par l'environnement de la jonction où il crée des excitations électromagnétiques appelés photons. Dans cette thèse, nous démontrons qu'une jonction tunnel supraconductrice couplée à un environnement bien choisi peut implémenter une source brillante de rayonnement micro-onde quantique. L'énergie nécessaire pour créer les photons est fournie par la source de tension continue lors du passage tunnel inélastique d’une paire de Cooper à travers la jonction. Nous détectons cette lumière émise et étudions ses propriétés avec des outils de l’optique quantique adaptés au domaine micro-onde. Nous caractérisons le dégroupement des photons émis dans un seul mode fortement couplée à une jonction, ainsi que l’intrication de paires de photons émis dans deux modes à des fréquences différentes. Outre une meilleure compréhension du couplage charge-lumière dans les conducteurs cohérents, ces travaux pourraient déboucher sur de nouvelles façons de manipuler l'information au niveau quantique.
Amplification paramétrique en résonance et à ondes progressives proche de la limite quantique Un des défis des expériences d’information quantique avec des circuits quantiques supraconducteurs est la lecture de signaux microondes de très basses énergies. Les amplificateurs opérant à la limite quantique du bruit sont indispensables à cette tâche. C’est donc pourquoi ils occupent une place toujours plus prépondérante dans de telles expériences, en particulier pour la lecture de bits quantiques supraconducteurs.Dans cette thèse, nous présentons deux architectures d’amplificateurs limités quantiquement : la première est une architecture employant un résonateur alors que la seconde est basée sur des ondes progressives. Ces deux types d’amplificateurs ont en commun d’avoir comme brique élémentaire une jonction Josephson accordable en flux (squid). Cette dernière est le support idéal pour une amplification paramétrique limitée quantiquement : elle est à la fois non-linéaire et non dissipative (de par son caractère supraconducteur). Cette thèse s’emploie à démontrer le fonctionnement des amplificateurs paramétriques Josephson limités quantiquement que nous avons conçus et qui, grâce à des architectures originales, présentent des performances qui vont au-delà de l’état de l’art.Un inconvénient majeur des amplificateurs Josephson en résonance est leur étendue dynamique très limitée. Nous avons identifié l’origine de cette limitation, la non-linéarité Kerr, et avons réussi à l’adapter via l’implémentation de chaines de jonctions Josephson. Nous avons développé un modèle en bon accord avec nos données expérimentales, validant l’effet de la non-linéarité Kerr sur la saturation. Malgré tout, la plupart des amplificateurs résonants souffrent d’une limitation intrinsèque à leur architecture : la conservation du produit gain bande passante, limitant cette dernière. L’architecture à ondes progressives est un candidat idéal pour passer outre cette loi de conservation. Cependant, elle fait face à deux problèmes : l’adaptation en impédance et en phase. Concernant l’adaptation en impédance, nous avons mis au point un procédé de fabrication, simple et inédit, permettant d’avoir une impédance de 50 ohms avec une chaîne de plus de 2000 squids. Concernant l’adaptation en phase, nous avons faiblement modulé périodiquement l’impédance de la ligne de squid pour ouvrir un gap photonique et déformer localement la relation de dispersion. Cette technique n’ajoute en rien à la complexité du processus de fabrication, qui se démarquait déjà par sa simplicité. De plus, un modèle en bon accord avec nos données expérimentales a été développé, prenant notamment en compte le comportement non-linéaire du gap photonique dans un métamatériaux Josephson. Au-delà des amplificateurs limités quantiquement démontrés et leurs nombreuses applications, cette thèse ouvre des perspectives d’expériences d’optique quantique fondamentales à faire sur ces lignes de transmission hautement non-linéaires.Avec les amplificateurs en résonance, nous avons atteint des points de compression à 1dB (à 20dB de gain) de -117dBm, pour 45MHz de bande passante. Avec les amplificateurs à ondes progressives nous avons atteint un gain maximal de 18dB pour une bande-passante de 2.25GHz et un points de compression à 1dB atteignant -103dBm, tout en restant proche de la limite quantique de bruit.