Photonique Josephson : génération & amplification micro-ondes en régime quantique La photonique Josephson est un domaine récent de la physique à la croisée entre l’électrodynamique quantique en circuit et le blocage de Coulomb dynamique. Elle explique et étudie la possibilité pour une paire de Cooper de traverser une jonction Josephson polarisée en tension par effet tunnel inélastique, en dissipant la différence de potentiel électrique aux bornes de la jonction sous forme de photons émis dans l’environnement électromagnétique de la jonction.Cette thèse s’arrête sur deux aspects de la photonique Josephson:• La possibilité de contrôler la statistique des photons émis dans l’environnement, en particulier Générer des photons non-classiques;• La possibilité de stimuler l’émission de photons, ce qui permet d’Amplifier avec un bruit ajouté à la limite quantique.Pour fonctionner ces dispositifs ne demandent qu’une simple tension continue servant à polariser la jonction Josephson. A terme ces dispositifs pourraient simplifier certaines mesures quantiques en remplaçant avantageusement des dispositifs micro-ondes existants plus difficiles à utiliser.Nous avons étudié nos dispositifs avec deux théories, la théorie P(E) et celle liant les flux de photons entrant et sortant, pour en tirer les caractéristiques de fonctionnement de nos dispositifs : taux d’émission, gain, bruit, bande passante, point de compression. Les dispositifs expérimentaux mesurés sont réalisés en nitrure de niobium en créant un environnement électromagnétique répondant à nos besoins. La possibilité de contrôler les processus photoniques que l’on veut en réalisant l’environnement électromagnétique adapté laisse la porte ouverte à de futures dispositifs : divers sources non-classiques, amplificateurs large bande, détecteurs de photons.
Photonique Josephson : génération & amplification micro-ondes en régime quantique La photonique Josephson est un domaine récent de la physique à la croisée entre l’électrodynamique quantique en circuit et le blocage de Coulomb dynamique. Elle explique et étudie la possibilité pour une paire de Cooper de traverser une jonction Josephson polarisée en tension par effet tunnel inélastique, en dissipant la différence de potentiel électrique aux bornes de la jonction sous forme de photons émis dans l’environnement électromagnétique de la jonction.Cette thèse s’arrête sur deux aspects de la photonique Josephson:• La possibilité de contrôler la statistique des photons émis dans l’environnement, en particulier Générer des photons non-classiques;• La possibilité de stimuler l’émission de photons, ce qui permet d’Amplifier avec un bruit ajouté à la limite quantique.Pour fonctionner ces dispositifs ne demandent qu’une simple tension continue servant à polariser la jonction Josephson. A terme ces dispositifs pourraient simplifier certaines mesures quantiques en remplaçant avantageusement des dispositifs micro-ondes existants plus difficiles à utiliser.Nous avons étudié nos dispositifs avec deux théories, la théorie P(E) et celle liant les flux de photons entrant et sortant, pour en tirer les caractéristiques de fonctionnement de nos dispositifs : taux d’émission, gain, bruit, bande passante, point de compression. Les dispositifs expérimentaux mesurés sont réalisés en nitrure de niobium en créant un environnement électromagnétique répondant à nos besoins. La possibilité de contrôler les processus photoniques que l’on veut en réalisant l’environnement électromagnétique adapté laisse la porte ouverte à de futures dispositifs : divers sources non-classiques, amplificateurs large bande, détecteurs de photons.
La photonique Josephson est un domaine récent de la physique à la croisée entre l’électrodynamique quantique en circuit et le blocage de Coulomb dynamique. Elle explique et étudie la possibilité pour une paire de Cooper de traverser une jonction Josephson polarisée en tension par effet tunnel inélastique, en dissipant la différence de potentiel électrique aux bornes de la jonction sous forme de photons émis dans l’environnement électromagnétique de la jonction.Cette thèse s’arrête sur deux aspects de la photonique Josephson:• La possibilité de contrôler la statistique des photons émis dans l’environnement, en particulier Générer des photons non-classiques;• La possibilité de stimuler l’émission de photons, ce qui permet d’Amplifier avec un bruit ajouté à la limite quantique.Pour fonctionner ces dispositifs ne demandent qu’une simple tension continue servant à polariser la jonction Josephson. A terme ces dispositifs pourraient simplifier certaines mesures quantiques en remplaçant avantageusement des dispositifs micro-ondes existants plus difficiles à utiliser.Nous avons étudié nos dispositifs avec deux théories, la théorie P(E) et celle liant les flux de photons entrant et sortant, pour en tirer les caractéristiques de fonctionnement de nos dispositifs : taux d’émission, gain, bruit, bande passante, point de compression. Les dispositifs expérimentaux mesurés sont réalisés en nitrure de niobium en créant un environnement électromagnétique répondant à nos besoins. La possibilité de contrôler les processus photoniques que l’on veut en réalisant l’environnement électromagnétique adapté laisse la porte ouverte à de futures dispositifs : divers sources non-classiques, amplificateurs large bande, détecteurs de photons.
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.
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.
Electrodynamique quantique d’une jonction Josephson polarisée en tension continue en régime de fort couplage Dans cette thèse, nous avons étudié le couplage entre le transport de charge dans un conducteur quantique et le rayonnement émis dans son environnement électromagnétique. En effet, le caractère probabiliste du transport électrique dans ce type de conducteurs engendre des fluctuations de courant qui dissipent de l'énergie dans l'environnement sous forme de photons.Pour étudier cette interaction, nous avons utilisé un circuit dans lequel une Jonction Josephson couplée à un résonateur micro-onde est polarisée avec une tension continue. Quand la tension de polarisation atteint la condition pour laquelle le travail fourni par le générateur lorsque la charge d'une paire de Cooper traverse le circuit correspond à l'énergie d'un nombre entier de photons du résonateur, on observe un courant continu de paires de Cooper associé à l'émission de rayonnement dans le résonateur. Ce rayonnement est ensuite collecté dans une ligne de mesure micro-onde. En fabriquant des résonateurs hautes impédances basés sur des inductances planaires, nous avons pu atteindre le régime de fort couplage et observer les effets spectaculaires de cette interaction lumière-matière. D'une part, le régime de fort couplage exacerbe les processus multi-photoniques et nous avons observé jusqu'à l'émission simultanée de neuf photons part une paire de Cooper. De plus en utilisant un montage de type Hanbury-Brown and Twiss, nous avons pu mesurer la statistique des photons émis. Nous avons ainsi démontré que la rétroaction de l'environnement sur la dynamique du transport permet de créer une source non-classique de photons sous-Poissonniens, en accord avec les prédictions théoriques.
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.
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.