La jonction tunnel est a priori un composant linéaire. En effet, aux échelles d’énergie caractéristiques des micro-ondes, de l’ordre de quelques dizaines de microélectronvolts, sa relation courant–tension est essentiellement linéaire. Il est toutefois possible de réaliser de la conversion paramétrique vers le bas en exploitant les non-linéarités présentes dans la relation bruit–tension de la jonction. Dans cette thèse, les non-linéarités dans la relation bruit-tension sont utilisées pour convertir une pompe à 12 GHz en bruit large bande corrélé autour de 6 GHz. Ce signal est réinterprété en termes de photons large bande à l'aide d'une méthode numérique permettant de passer d'un signal en tension à un signal de quadratures large bande. En accumulant les statistiques de ces quadratures, il est possible de reconstruire les statistiques de photocomptes ainsi que d’autres propriétés pertinentes du rayonnement, telles que le squeezing multimode, le taux d’intrication et le steering, sans nécessiter de synchronisation entre la source de rayonnement et l’acquisition. Lorsqu'on permet à la source de rayonnement et à l'acquisition d'être synchronisées, une description encore plus riche du rayonnement devient accessible. Nous réalisons ainsi la première mesure de squeezing temporel dans un signal mésoscopique et menons une étude simultanée des composantes stationnaire et cyclostationnaire du bruit. Ces résultats montrent que la théorie de Landauer–Büttiker ne permet pas d’expliquer simultanément ces deux contributions, suggérant l’existence d’effets de rétroaction sur le bruit cyclostationnaire et ouvrant la voie à de nouveaux développements théoriques.
La jonction tunnel est a priori un composant linéaire. En effet, aux échelles d’énergie caractéristiques des micro-ondes, de l’ordre de quelques dizaines de microélectronvolts, sa relation courant–tension est essentiellement linéaire. Il est toutefois possible de réaliser de la conversion paramétrique vers le bas en exploitant les non-linéarités présentes dans la relation bruit–tension de la jonction. Dans cette thèse, les non-linéarités dans la relation bruit-tension sont utilisées pour convertir une pompe à 12 GHz en bruit large bande corrélé autour de 6 GHz. Ce signal est réinterprété en termes de photons large bande à l'aide d'une méthode numérique permettant de passer d'un signal en tension à un signal de quadratures large bande. En accumulant les statistiques de ces quadratures, il est possible de reconstruire les statistiques de photocomptes ainsi que d’autres propriétés pertinentes du rayonnement, telles que le squeezing multimode, le taux d’intrication et le steering, sans nécessiter de synchronisation entre la source de rayonnement et l’acquisition. Lorsqu'on permet à la source de rayonnement et à l'acquisition d'être synchronisées, une description encore plus riche du rayonnement devient accessible. Nous réalisons ainsi la première mesure de squeezing temporel dans un signal mésoscopique et menons une étude simultanée des composantes stationnaire et cyclostationnaire du bruit. Ces résultats montrent que la théorie de Landauer–Büttiker ne permet pas d’expliquer simultanément ces deux contributions, suggérant l’existence d’effets de rétroaction sur le bruit cyclostationnaire et ouvrant la voie à de nouveaux développements théoriques.
On présente dans cette thèse deux applications du traitement des signaux quantiques à l'étude des fluctuations qui émanent de composantes mésoscopiques. En premier lieu, on s'intéresse à l'étude des fluctuations électroniques en sortie d'un amplificateur paramétrique Josephson du point de vue de la statistique de photons. En second lieu, on présente une exploration des fluctuations émises en bande large par une jonction tunnel dans le régime photoexcité à travers des mesures dans le domaine temporel et un traitement numérique des données. On porte une attention particulière à la calibration et au traitement numérique des données, qui sont fondamentaux à la probité des résultats. Les résultats obtenus quant à la statistique de photons de l'amplificateur paramétrique Josephson permettent de vérifier quelles prédictions théoriques sont représentatives de la situation expérimentale typique en plus de mettre en valeur l'effet de la procédure de détection sur les résultats obtenus. Du côté de l'étude dans le domaine temporel de la jonction tunnel photoexcitée, on met à profit l'équipement micro-onde à la fine pointe de la technologie et la grande puissance de calcul disponible pour développer des méthodes de traitement du signal polyvalentes. En particulier, celles-ci nous permettent d'introduire et de mesurer expérimentalement la densité spectrale de puissance résolue en fréquence et en phase dans différentes conditions expérimentales. Cette quantité, d'une richesse surprenante, nous donne à son tour accès à une pléthore de corrélations courant--courant. Elle nous permet aussi de définir la réponse harmonique des fluctuations à l'excitation, qui met en lumière les effets de retard et de temps caractéristique au sein de la jonction tunnel.
Une source de lumière comporte des bruits d'origine classique (dus aux vibrations mécaniques, aux fluctuations thermiques...) qu'il est en principe toujours possible d'éliminer et un bruit d'origine spécifiquement quantique lié à la nature corpusculaire de la lumière. Ce bruit de photon appelé aussi bruit quantique standard ou bruit de grenaille a longtemps été considéré comme une limite infranchissable pour la sensibilité des mesures optiques. On sait maintenant qu'il existe des états du champ électromagnétique qui permettent de dépasser cette 'limite quantique standard'. Ces états comprimés du champ sont dans la plupart des cas créés par des effets d'optique non linéaire. En particulier, ils peuvent être produits par un Oscillateur Paramétrique Optique (OPO). Un OPO constitué par un cristal non-linéaire inséré dans une cavité optique, et excité par une onde pompe intense, génère par effet paramétrique deux nouvelles ondes dites signal et complémentaire. Il est possible de réduire sous le bruit quantique standard les fluctuations associées à ces trois ondes. En particulier, par interaction paramétrique, un photon de pompe est converti simultanément en un photon du signal et un photon du complémentaire. Un OPO génère ainsi des faisceaux corrélés temporellement au niveau quantique et appelés faisceaux jumeaux. De plus, lorsque la pompe est une onde plane, et que les fréquences du signal et complémentaire sont voisines, par l'interaction paramétrique signal et complémentaires sont émis symétriquement par rapport à la direction de propagation de la pompe et sont donc aussi corrélés spatialement au niveau quantique. La réduction sous la limite quantique standard du bruit de l'onde pompe réfléchie par la cavité est une illustration des potentialités de compression de l'OPO. Celle-ci a été mise en évidence dans un OPO fonctionnant avec un cristal à quasi accord de phase et émettant des faisceaux à une longueur d'onde voisine de 2Μm. Les faisceaux jumeaux constituent un autre exemple de faisceaux non-classiques émis par l'OPO. Ils peuvent être utilisés pour améliorer la sensibilité ultime de certaines mesures. En particulier, la corrélation de faisceaux jumeaux a été exploitée pour réaliser une mesure d'absorption dans le rubidium avec une sensibilité non limitée par le bruit quantique standard. Dans un OPO dégénéré en modes transverses, pour lequel l'émission est multimode, la compression des fluctuations peut s'observer en théorie à l'échelle locale en ne mesurant le bruit que sur une partie du faisceau. De plus un tel OPO doit permettre d'observer des corrélations quantiques spatiales entre différentes parties des faisceaux. Expérimentalement, il a été montré que dans un OPO confocal, l'émission, multimode, possède des corrélations locales. Des faisceaux possédant une corrélation quantique spatiale ont permis de mesurer le petit déplacement d'un faisceau avec une sensibilité supérieure à la limite quantique standard.
On présente dans ce mémoire la mesure de la statistique de photons des fluctuations électromagnétiques micro-ondes d’une jonction tunnel placée à ultra-basse température. En particulier, on déduit cettedite statistique en mesurant les cumulants des fluctuations de courant générées par une jonction tunnel polarisée en courant continu et photoexcitée par un signal haute fréquence. On utilise un amplificateur paramétrique Josephson en tant que premier maillon de la chaîne d’amplification en raison de son bruit près de la limite quantique. On développe aussi un modèle pour tenir compte de sa saturation, celle-ci étant apparente à des puissances de signal incident très faibles. C’est, à ma connaissance, la première fois qu’un tel amplificateur est utilisé pour étudier la physique au sein du bruit émis par un conducteur mésoscopique. Les résultats mettent en évidence l’apparition d’un excès dans le quatrième cumulant lorsque la photoexcitation s’effectue au double de la fréquence de mesure. Un développement mathématique simple nous permet d’associer cet excès à la statistique de photons, sous la forme d’une augmentation – à nombre de photons fixe – de la variance du nombre moyen de photons contenue dans le signal. C’est en fait une signature de l’émission de paires de photons corrélés par la jonction tunnel photoexcitée. Ces résultats font le pont entre ceux obtenus précédemment par notre groupe de recherche quant aux cumulants d’ordre supérieur du bruit et ceux associées aux parallèles entre l’optique quantique et les fluctuations de courant des dispositifs mésoscopiques. [Gasse et al. PRL 111, 136601 (2013) ; Forgues et al. Scientific Reports 3, 2869 (2013) ; Forgues et al. PRL 113, 043602 (2014)] Ils dressent un portait intéressant du bruit photoexcité en termes normalement associés à l’optique quantique.
Depuis les travaux pionniers de B.D. Josephson, les jonctions tunnel supraconductrices, également appelées jonctions Josephson, ont prouvé leur utilité pour tester diverses prédictions de la mécanique quantique. Le travail présenté dans ce manuscrit se concentre sur l'utilisation de ces jonctions pour étudier les problèmes d'impuretés quantiques. Ces problèmes traitent de l'interaction entre un degré de liberté, l'impureté quantique, et un environnement. Ils sont donc principalement utilisés pour décrire comment la dissipation peut être induite en mécanique quantique. Pour étudier ces problèmes, nous avons conçu deux types de circuits. Tous deux reposent sur le couplage galvanique entre une jonction Josephson dans le régime non linéaire et une chaîne de jonctions Josephson fabriquées dans le régime linéaire. Ces chaînes de jonctions sont composées de milliers de jonctions mais ne peuvent pas être rendues infinies, elles constituent ainsi un quasi-continuum. Cependant, dans certaines circonstances, elles se comportent comme un bain thermodynamique. L'utilisation d'un quasi-continuum au lieu d'un bain rend le problème plus riche puisque la rétroaction de la non-linéarité de l'environnement peut être étudiée. Ce problème étant complexe, un nouveau formalisme a dû être développé pour comprendre ces circuits. La principale nouveauté théorique est venue de l'Approximation Harmonique Auto-Consistente. Cela nous a permis de faire deux prédictions notables sur notre circuit. Premièrement, une renormalisation de l'énergie Josephson de la jonction non linéaire, provenant de l'interaction entre cette dernière et les fluctuations de phase induites par l'environnement. Deuxièmement, la création d'un canal dissipatif provenant du couplage entre les états à un photon de notre circuit et d'autres à plusieurs photons. Grâce à ces nouveaux outils théoriques, nous avons pu interpréter les données mesurées. Cela nous a permis de mesurer une renormalisation non perturbative de l'énergie Josephson de la jonction non linéaire, la valeur maximale que nous avons atteinte étant d'environ 50 % de la valeur nue. De plus, la probabilité maximale de désintégration par aller-retour des photons insérés dans le circuit et que nous avons pu attribuer à l'élément non linéaire est d'environ 0,1. Ces deux observations, ainsi que la modélisation microscopique de notre circuit, montrent que l'électrodynamique quantique de circuit peut être utilisée pour étudier des problèmes à N corps.
L'exploitation d'une interaction non lineaire du second ordre: l'amplification parametrique dependante de la phase, a permis de surpasser la limite quantique standard lors du traitement et de la detection des signaux optiques. Le rendement quantique de detection est ainsi considerablement ameliore lorsque le signal est preamplifie par un amplificateur parametrique dependant de la phase, qui ne degrade pas le rapport signal sur bruit. L'ensemble, amplificateur sans bruit et detecteur, peut etre considere comme un nouveau dispositif dont le rendement quantique de detection est ideal lorsque le gain de l'amplificateur est eleve. Par ailleurs, la realisation de deux mesures quantiques non destructives (qnd) successives d'une quadrature d'un signal, nous a permis d'apporter la premiere demonstration complete du principe de la mesure qnd. Chaque mesure introduit une perturbation qui est rejetee sur la quadrature conjuguee, preservant de la contamination la quadrature mesuree. A l'aide des criteres qnd nous avons demontre le caractere non destructif de notre double mesure ainsi que l'existence de correlations quantiques (en dessous de la limite quantique standard) entre les mesures et avec le signal. Du point de vue des communications optiques, nous avons realise deux prises optiques en ligne, ayant des performances quantiques. L'etude theorique a neanmoins revele la sensibilite de telles prises vis a vis des pertes optiques lorsque leur nombre augmente. Nous avons contourne ce probleme en developpant deux prises optiques quantiques amplificatrices basees sur l'amplification optique sans bruit et la separation des photons jumeaux generes par l'amplificateur parametrique dependant de la phase. L'un des photons est considere comme le signal, l'autre constitue la mesure. Les performances de cette double prise sont non classiques et montrent une grande robustesse a l'encontre de pertes optiques. L'etude theorique a revele que les performances non classiques se conservent lorsque le nombre de prises optiques augmente
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.