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.
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.
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.
Interactions photoniques d'ordre élevé induites par appariement de paires de Cooper Induire des interactions entre des photons individuels est essentiel pour les applications en traitement de l'information quantique photonique et la recherche fondamentale sur les états de photons à plusieurs corps. Un domaine qui convient bien pour combiner des interactions fortes et de faibles pertes est l'optique quantique micro-onde avec des circuits supraconducteurs. Les photons sont généralement stockés dans un circuit LC, et les interactions apparaissent lorsque le circuit est court-circuité par une jonction tunnel de Josephson. Importamment, les fluctuations du point zéro de la phase supraconductrice à travers la jonction contrôlent la force et l'ordre des interactions induites. Les circuits supraconducteurs ont presque exclusivement fonctionné dans le régime où les fluctuations de phase sont plus petites que l'unité, et les interactions à deux photons, connues sous le nom d'effet Kerr, dominent. Dans cette expérience, nous court-circuitons un oscillateur LC à haute impédance par un dipôle qui ne permet que des paires de paires de Cooper de se tunnelliser. Les fluctuations de phase, qui sont effectivement doublées par ce couplage, atteignent la valeur de 3.4. Dans ce régime de fluctuations extrêmes, nous observons des fréquences de transition qui se déplacent de manière non monotone à mesure que nous montons l'échelle anharmonique. À partir de cette mesure spectroscopique, nous extrayons des énergies d'interaction à deux, trois et quatre photons d'amplitude comparable, et toutes dépassent le taux de perte de photon. Ce travail explore un nouveau régime d'interactions de photons d'ordre élevé en optique quantique micro-onde, avec des applications allant de la logique quantique multi-photon à l'étude du rayonnement micro-onde hautement corrélé.
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.
Mesure et contrôle assisté par réseau de neurones de modes micro-ondes quantiques avec des circuits supraconducteurs L'association d'un bit quantique et d'un mode harmonique couplé dispersivement est l'un des systèmes les plus étudiés dans le domaine de l'électrodynamique quantique de circuits supraconducteurs. Il offre un des moyens actuels les plus fiables pour mesurer l'état d'un bit quantique de manière non-destructive, et a permis nombre d'expériences d'information quantique étudiant l'information obtenue via cette mesure et la dynamique du qubit lorsqu'il y est soumis. Il offre également la possibilité de préparer et de manipuler l'état quantique du mode harmonique grâce au qubit, ce qui permet de stocker et de manipuler de l'information dans ce mode. C'est notamment crucial pour des applications telles que la construction d'un ordinateur quantique. Dans cette thèse sont présentées deux expériences reposant sur cette architecture. La première démontre comment utiliser la fluorescence du qubit pour lire le nombre de de photons contenus dans le mode de manière non-destructive et en un seul coup, c'est-à-dire avant que les photons soient dissipés. Cela permet de mesurer des trajectoires du nombre de photons, et de les voir quitter la cavité un par un. L'analyse de cette expérience repose sur une analyse de la fluorescense en termes de modes propageants, et permet d'aborder un certain nombre de questionnements sur l'information que peuvent contenir ces modes. La seconde constitue une démonstration de l'utilisation d'un réseau de neurones dans le cadre de la préparation d'états quantiques dans le mode. Il s'agit ici d'accélérer l'optimisation des impulsions électromagnétiques de contrôle du mode et du qubit pour créer un état quantique dans le mode avec une grande fidélité, et ce pour une grande classe d'états. Pour évaluer l'efficacité de ce nouveau protocole d'optimisation sur l'ensemble de cette classe, une manière optimale d'évaluer la fidélité des états préparés à partir d'un protocole de mesure de la fonction de Wigner du mode a été pour la première fois implémentée expérimentalement.
Non-linéarités quantiques d'un qubit en couplage ultra-fort avec un guide d'ondes Au cours des dernières années, le domaine de l'interaction lumière-matière a fait un pas de plus en avant avec l'avènement des qubits supraconducteurs couplés ultra-fortement à des guides d'ondes ouverts. Dans ce contexte, un qubit devient simultanément couplé à de nombreux modes du guide d'onde, se transformant ainsi en un objet hybride lumière-matière hautement intriqué. L'étude de nouveaux phénomènes dynamiques qui émergent de la grande complexité de ces systèmes quantiques à N-corps est l'objectif principal de cette thèse.Dans une première étape cruciale, nous abordons l'évolution dans le temps d'un tel système en utilisant une nouvelle technique numérique basée sur un développement complet du vecteur d'état en termes d'états cohérents multimodes. Inspirée par des approches semi-classiques antérieures, cette technique numériquement exacte fournit un progrès important par rapport aux méthodes de pointe qui ont été utilisées jusqu'à présent pour étudier le régime de couplage ultra-fort à N-corps. Fondamentalement, cette approche préserve également le détail de la dynamique du système complet réunissant le guide d'onde et le qubit, permettant à la fois d'effectuer la tomographie et d'extraire la diffusion multi-particule des degrés de liberté du guide d'onde.Une exploration du régime de couplage ultra-fort multi-mode utilisant cette nouvelle technique a conduit aux deux prédictions théoriques fondamentales de cette thèse. La première démontre que le rayonnement émis spontanément par un qubit excité prend la forme d'un chat de Schrödinger de lumière, un résultat étonnamment différent de l'émission de photon unique habituelle en optique quantique. La seconde prédiction concerne la diffusion de signaux cohérents de faible puissance sur un qubit, un protocole expérimental très courant en laboratoire. De façon remarquable, il est montré que la non-linéarité du qubit, transférée au guide d'onde par l'interaction ultra-forte avec la lumière, est capable de diviser les photons du faisceau entrant en plusieurs photons de plus basse énergie, conduisant à l'émergence d'un continuum basse fréquence dans le spectre de puissance, qui domine le signal hors-résonant. En étudiant la fonction de corrélation de second ordre dans le champ rayonné, il est également démontré que l'émission en couplage ultra-fort présente des signatures caractéristiques de la production de particules.Dans la dernière partie de la thèse, la fonction de corrélation de second ordre est à nouveau étudiée, mais cette fois expérimentalement, et dans le régime du couplage modéré. Bien que les mesures soient encore préliminaires, cette partie de la thèse présente un compte-rendu instructif de la théorie de la mesure du signal et permet de comprendre en détail la procédure expérimentale impliquée dans la mesure des signaux quantiques. De plus, à l'avenir, les développements expérimentaux et les outils de simulation décrits pourraient être appliqués aux signaux émis par des qubits ultra-fortement couplés, afin d'observer les signatures de production de particules révélées par la fonction de corrélation du second ordre.