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.
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.
Les détecteurs de photons uniques aux fréquences visibles sont des outils essentiels dans de nombreux domaines de la technologie quantique, tels que la distribution de clés quantiques ou l'optique quantique. Cependant, la réalisation de détecteurs de photons uniques micro-ondes continus et hautement efficaces reste un défi. Dans cette thèse, nous proposons et mettons en œuvre un détecteur de photons micro-ondes basé sur une jonction tunnel supraconductrice couplée à une cavité micro-ondes. Les photons incidents à la fréquence du résonateur sont absorbés par la jonction via un effet tunnel inélastique de quasiparticules, ce qui entraîne un courant tunnel photo-assisté mesurable. Pour augmenter le taux d'effet tunnel inélastique, le résonateur est fabriqué en aluminium granulaire, ce qui conduit à une impédance caractéristique du mode de l'ordre du quantum de résistance. En mesurant le courant dû aux processus d'ordre supérieur, nous calibrons le détecteur et estimons l'efficacité quantique à 0,83, un ordre de grandeur plus élevé que celui rapporté dans la littérature pour les détecteurs basés sur l'effet tunnel photo-assisté. En plus du courant photo-assisté, la puissance émise par l'échantillon est mesurée, et il est démontré que le même dispositif peut être utilisé pour refroidir efficacement un circuit supraconducteur. Nous discutons de la compatibilité du détecteur de photons mis en œuvre avec les techniques de comptage de charge nécessaires pour discerner les électrons individuels, tels que les RF-SET. Nous réalisons un RF-SET à l'aide d'un résonateur granulaire en aluminium à haute impédance, et nous montrons une forte absorption de photons pour des tensions de polarisation et de grille appropriées. En outre, nous mesurons la sensibilité à la charge de ce dispositif à un niveau aussi bas que 5e-5 e/sqrt(Hz). Ainsi, les expériences de ce travail montrent que la combinaison d'un transistor radiofréquence à électron unique avec un convertisseur photon-électron à haute efficacité basé sur l'effet tunnel inélastique pourrait conduire à un compteur de photons micro-ondes unique pratique.
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.
Un détecteur à haute inductance cinétique de photon micro-onde Les détecteurs de photons uniques aux fréquences visibles sont des outils essentiels dans de nombreux domaines de la technologie quantique, tels que la distribution de clés quantiques ou l'optique quantique. Cependant, la réalisation de détecteurs de photons uniques micro-ondes continus et hautement efficaces reste un défi. Dans cette thèse, nous proposons et mettons en œuvre un détecteur de photons micro-ondes basé sur une jonction tunnel supraconductrice couplée à une cavité micro-ondes. Les photons incidents à la fréquence du résonateur sont absorbés par la jonction via un effet tunnel inélastique de quasiparticules, ce qui entraîne un courant tunnel photo-assisté mesurable. Pour augmenter le taux d'effet tunnel inélastique, le résonateur est fabriqué en aluminium granulaire, ce qui conduit à une impédance caractéristique du mode de l'ordre du quantum de résistance. En mesurant le courant dû aux processus d'ordre supérieur, nous calibrons le détecteur et estimons l'efficacité quantique à 0,83, un ordre de grandeur plus élevé que celui rapporté dans la littérature pour les détecteurs basés sur l'effet tunnel photo-assisté. En plus du courant photo-assisté, la puissance émise par l'échantillon est mesurée, et il est démontré que le même dispositif peut être utilisé pour refroidir efficacement un circuit supraconducteur. Nous discutons de la compatibilité du détecteur de photons mis en œuvre avec les techniques de comptage de charge nécessaires pour discerner les électrons individuels, tels que les RF-SET. Nous réalisons un RF-SET à l'aide d'un résonateur granulaire en aluminium à haute impédance, et nous montrons une forte absorption de photons pour des tensions de polarisation et de grille appropriées. En outre, nous mesurons la sensibilité à la charge de ce dispositif à un niveau aussi bas que 5e-5 e/sqrt(Hz). Ainsi, les expériences de ce travail montrent que la combinaison d'un transistor radiofréquence à électron unique avec un convertisseur photon-électron à haute efficacité basé sur l'effet tunnel inélastique pourrait conduire à un compteur de photons micro-ondes unique pratique.
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.
Conversion spontanée de photons micro-ondes à partir d'une impureté quantique supraconductrice Les modèles d'impuretés quantiques sont d'une importance capitale en physique de la matière condensée car ils permettent de décrire les propriétés émergentes d'une grande collection de particules interagissant avec un système quantique unique. Les progrès récents en matière de techniques expérimentales ont largement été mis à profit afin d'implémenter ces modèles en laboratoire. Tout particulièrement, les avancées dans le domaine de l'électrodynamique quantique des circuits (circuit-QED) ont permis d'atteindre expérimentalement le régime d'impureté quantique, où un défaut unique, comme un qubit ou une jonction tunnel supraconductrice, est très fortement couplé à de nombreux modes d'un environnement électromagnétique. Dans ces systèmes, en raison de la forte non-linéarité de l'impureté, des interactions effectives commencent à se développer entre les modes initialement indépendants de l'environnement, parmis lesquels des processus qui ne conservent pas le nombre d'excitations - des photons micro-ondes dans ce contexte. La diffusion inélastique de ces derniers sur l'impureté est l'archétype de ces processus qui ne conservent pas le nombre d'excitations et a récemment été indirectement observée grâce à la spectroscopie micro-ondes de circuits supraconducteurs. Dans cette thèse, nous allons au-delà de la spectroscopie et rapportons l'observation directe des photons qui sont produits au cours de ces processus de diffusion inélastique. Plus précisément, en tirant parti de l'état de l'art en terme d'amplification proche de la limite quantique, le signal de fluorescence associé à la conversion spontanée des photons micro-ondes est directement mesuré. De plus, nous montrons que cette conversion des photons micro-ondes est directement liée à la dissipation du système, confirmant ainsi le scénario envisagé dans les études spectroscopiques précédant ce travail. Ce processus de conversion de photons nous permet également d'explorer les effets des quasiparticules - que sont les paires de Cooper brisées - sur les états excités du système. Nous rapportons l'observation d'effets de charge commensurables sur un état à trois photons, lequel est spectroscopiquement résolu grâce à son couplage à un état à un seul photon. Au-delà des motivations découlants de l'étude des modèles d'impuretés quantiques, ces résultats contribuent au domaine en plein essor de l'optique quantique à N-corps et offrent une signature directe du couplage ultra-fort entre la lumière et la matière. Ils présentent également un intérêt particulier pour la compréhension des propriétés de cohérence des qubits à haute impédance, tels que le Fluxonium ou le qubit 0-Pi, qui reposent sur des structures multi-modes.
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.