Dynamique quantique d'une cavité micro-onde à haute impédance fortement couplée à une jonction Josephson Le but de cette thèse est d'étudier les propriétés et la dynamique d'une cavité micro-onde à haute impédance couplée galvaniquement à une jonction Josephson polarisée en tension. La cavité est réalisée en aluminium granulaire, un supraconducteur désordonné à haute inductance cinétique, qui nous a permis d'obtenir des modes avec un facteur de qualité élevé (jusqu'à 30 000) et une grande impédance caractéristique allant jusqu'à 5 kOhm dans la gamme du GHz. L'occupation et les propriétés des modes de la cavité sont fortement influencées par les processus tunnel se produisant dans la jonction connectée à la cavité. Comme l'impédance caractéristique des modes est comparable au quantum de résistance, des processus non linéaires d'ordre élevé sont observés. À basse tension par rapport au gap supraconducteur de la jonction, le processus dominant est le passage tunnel inélastique des paires de Cooper, qui peuple les différents modes de la cavité. Nous mesurons directement l'émission de photons dans un mode à 6 GHz et observons plus de 70 pics d'émission en fonction de la tension de polarisation, une signature claire de la non-linéarité élevée. Aux tensions plus élevées proches du gap, le tunneling des quasi-particules domine. Ce processus dissipatif modifie à la fois la fréquence de résonance et la largeur des modes. Un traitement quantique de ce processus dissipatif en termes de décalage de Lamb et de sauts quantiques est nécessaire pour expliquer quantitativement nos mesures. Ces résultats montrent le potentiel de l'aluminium granulaire pour réaliser des expériences d'optique quantique dans un régime où le transport de charge et les photons micro-ondes sont fortement couplés.
Dynamique quantique d'une cavité micro-onde à haute impédance fortement couplée à une jonction Josephson Le but de cette thèse est d'étudier les propriétés et la dynamique d'une cavité micro-onde à haute impédance couplée galvaniquement à une jonction Josephson polarisée en tension. La cavité est réalisée en aluminium granulaire, un supraconducteur désordonné à haute inductance cinétique, qui nous a permis d'obtenir des modes avec un facteur de qualité élevé (jusqu'à 30 000) et une grande impédance caractéristique allant jusqu'à 5 kOhm dans la gamme du GHz. L'occupation et les propriétés des modes de la cavité sont fortement influencées par les processus tunnel se produisant dans la jonction connectée à la cavité. Comme l'impédance caractéristique des modes est comparable au quantum de résistance, des processus non linéaires d'ordre élevé sont observés. À basse tension par rapport au gap supraconducteur de la jonction, le processus dominant est le passage tunnel inélastique des paires de Cooper, qui peuple les différents modes de la cavité. Nous mesurons directement l'émission de photons dans un mode à 6 GHz et observons plus de 70 pics d'émission en fonction de la tension de polarisation, une signature claire de la non-linéarité élevée. Aux tensions plus élevées proches du gap, le tunneling des quasi-particules domine. Ce processus dissipatif modifie à la fois la fréquence de résonance et la largeur des modes. Un traitement quantique de ce processus dissipatif en termes de décalage de Lamb et de sauts quantiques est nécessaire pour expliquer quantitativement nos mesures. Ces résultats montrent le potentiel de l'aluminium granulaire pour réaliser des expériences d'optique quantique dans un régime où le transport de charge et les photons micro-ondes sont fortement couplés.
Le but de cette thèse est d'étudier les propriétés et la dynamique d'une cavité micro-onde à haute impédance couplée galvaniquement à une jonction Josephson polarisée en tension. La cavité est réalisée en aluminium granulaire, un supraconducteur désordonné à haute inductance cinétique, qui nous a permis d'obtenir des modes avec un facteur de qualité élevé (jusqu'à 30 000) et une grande impédance caractéristique allant jusqu'à 5 kOhm dans la gamme du GHz. L'occupation et les propriétés des modes de la cavité sont fortement influencées par les processus tunnel se produisant dans la jonction connectée à la cavité. Comme l'impédance caractéristique des modes est comparable au quantum de résistance, des processus non linéaires d'ordre élevé sont observés. À basse tension par rapport au gap supraconducteur de la jonction, le processus dominant est le passage tunnel inélastique des paires de Cooper, qui peuple les différents modes de la cavité. Nous mesurons directement l'émission de photons dans un mode à 6 GHz et observons plus de 70 pics d'émission en fonction de la tension de polarisation, une signature claire de la non-linéarité élevée. Aux tensions plus élevées proches du gap, le tunneling des quasi-particules domine. Ce processus dissipatif modifie à la fois la fréquence de résonance et la largeur des modes. Un traitement quantique de ce processus dissipatif en termes de décalage de Lamb et de sauts quantiques est nécessaire pour expliquer quantitativement nos mesures. Ces résultats montrent le potentiel de l'aluminium granulaire pour réaliser des expériences d'optique quantique dans un régime où le transport de charge et les photons micro-ondes sont fortement couplés.
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.
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.
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.
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.
Transport quantique dans des jonctions Josephson polarisées en tension Ces travaux visent à étendre la compréhension du transport quantique hors équilibre dans des jonctions Josephson polarisées en tensions, aussi bien par des méthodes analytiques que numériques. Plus précisément, il se concentre sur le rayonnement Josephson d'une jonction formée par une boite quantique ayant un unique niveau d’énergie dégénéré en spin et connecté à deux fils supraconducteurs. Une telle jonction héberge des états discrets, à l’intérieur du gap supraconducteur, dont l'énergie dépend périodiquement de la différence des phases supraconductrice de part et d’autre de la jonction, il s'agit des états liés dits d'Andreev. A cause de la dépendance en énergie de transmission de la boite quantique, ces états sont complètement détachés du continuum de quasi-particules et tout écart à la condition de résonance de la boite quantique ouvre un second gap à l'énergie de Fermi. Le courant supraconducteur qui traverse la jonction est proportionnel à la dérivée de l'énergie de la jonction par rapport à la différence de phase. Cette énergie dépend entre autres de l’occupation des états liées d’Andreev. Lorsque la jonction est polarisée en tension, la différence de phase oscille à la fréquence Josephson qui est proportionnelle à la tension appliquée.Pour comprendre l'effet de cette dynamique sur le courant et la radiation Josephson, nous proposons un modèle stochastique de celle-ci. Dont nous déduisons des expressions analytiques des différentes observables paramétrisées par les probabilités de transition des processus non-adiabatiques. Ce modèle prédit l'existence d'un régime de paramètres où le rayonnement Josephson est fractionnel. Bien que ces résultats aient fourni un aperçu analytique du comportement de la jonction, il repose sur des hypothèses fortes. Notamment, tout effet de cohérence quantique est négligé, de même que l'effet de l'environnement. Nous nous sommes donc tournés vers un modèle microscopique de la jonction décrit dans le formalisme des champs hors équilibres. La boite quantique est modélisée par un unique état discret connecté par effets tunnels à deux supraconducteurs BCS. Les observables sont déduite de la fonction Green complète du système. Celle-ci est obtenue en résolvant l'équation de Dyson dans le domaine temporel. A cette occasion, nous avons développé une nouvelle méthode de résolution de cette équation hors-équilibre de complexité O(N log(N)) en temps et en mémoire, avec N le nombre de points de discrétisation de l'axe temporel. Là où les méthodes usuelles nécessitent O(N^3) opérations et O(N^2) octets de mémoire pour résoudre cette même équation. Ce nouvel algorithme n'est restreint en aucune façon à la simulation de jonctions Josephson.