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.
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.
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.
Mitigation du bruit pour le comptage de photon microonde unique La détection de photons uniques est depuis longtemps maîtrisée dans le domaine optique, mais demeure un défi aux fréquences microondes. Le développement de détecteurs de photons micro-ondes uniques ouvre de nouvelles perspectives, avec des applications allant de la recherche d’axions aux systèmes quantiques hybrides, jusqu’à l’informatique quantique supraconductrice. Ces dispositifs exploitent l’interaction entre photons itinérants et qubits supraconducteurs pour réaliser une mesure non destructive quantique de l’état du photon — une approche qui se distingue fondamentalement des détecteurs optiques traditionnels, de nature absorptive. Dans ce travail, nous développons un protocole de détection en cascade permettant de mesurer plusieurs fois l’état d’un photon, en distribuant l’information sur plusieurs qubits. Cette stratégie réduit significativement le bruit local intrinsèque, offrant une amélioration de deux ordres de grandeur de la sensibilité, tout en maintenant une efficacité élevée. Le détecteur que nous proposons repose sur la concaténation cohérente de deux processus de mélange à quatre ondes sur une même puce. Ce schéma garantit une dynamique cohérente quantique et permet d’ajuster dynamiquement la bande passante du détecteur — un atout essentiel pour des environnements soumis au bruit thermique. Nous démontrons une sensibilité intrinsèque de (8 ± 1) × 10−24 W/√Hz at 8.798 GHz, limitée uniquement par le bruit thermique du résonateur d’entrée. Enfin, nous discutons des limitations actuelles et illustrons des avancées récentes.
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.
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.
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.
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.