Plusieurs domaines technologiques, notamment l’informatique quantique, nécessitent aujourd’hui des amplificateurs cryogéniques faibles en bruit, possédant une large bande passante et un fort gain. Historiquement, ce besoin a été rempli par les amplificateurs Josephson paramétriques (JPA) et plus récemment, par des amplificateurs similaires opérant en transmission nommés des amplificateurs paramétriques à onde progressive, ou encore TWPA. Dans ce mémoire, un nouveau type d’amplificateur à onde progressive utilisant des jonctions de Josephson polarisées en tension est introduit. En utilisant le passage par effet tunnel inélastique de paires de Cooper tel que décrit par la photonique de Josephson, l’amplificateur TWIST (Traveling Wave InelaStic Tunneling) propose une amplification en transmission opérant près de la limite quantique standard du bruit et possédant possiblement une large bande passante, tout en étant alimenté par une tension continue plutôt que par une pompe micro-onde. Après avoir présenté la théorie derrière les dispositifs, des simulations de différents modèles sont introduites. Parmi ces simulations, des gains d’une quinzaine de dB sur une bande passante de plus de 3 GHz sont obtenus. Ensuite, un prototype d’amplificateur TWIST est caractérisé. Le bon fonctionnement de sa structure novatrice de biais de flux magnétique est démontré, tout comme la présence de processus paramétriques dans le dispositif. Bien que les dispositifs mesurés ne présentent pas de fort gain, de meilleures performances pourraient être obtenues en optimisant le processus de fabrication des dispositifs.
Plusieurs domaines technologiques, notamment l’informatique quantique, nécessitent aujourd’hui des amplificateurs cryogéniques faibles en bruit, possédant une large bande passante et un fort gain. Historiquement, ce besoin a été rempli par les amplificateurs Josephson paramétriques (JPA) et plus récemment, par des amplificateurs similaires opérant en transmission nommés des amplificateurs paramétriques à onde progressive, ou encore TWPA. Dans ce mémoire, un nouveau type d’amplificateur à onde progressive utilisant des jonctions de Josephson polarisées en tension est introduit. En utilisant le passage par effet tunnel inélastique de paires de Cooper tel que décrit par la photonique de Josephson, l’amplificateur TWIST (Traveling Wave InelaStic Tunneling) propose une amplification en transmission opérant près de la limite quantique standard du bruit et possédant possiblement une large bande passante, tout en étant alimenté par une tension continue plutôt que par une pompe micro-onde. Après avoir présenté la théorie derrière les dispositifs, des simulations de différents modèles sont introduites. Parmi ces simulations, des gains d’une quinzaine de dB sur une bande passante de plus de 3 GHz sont obtenus. Ensuite, un prototype d’amplificateur TWIST est caractérisé. Le bon fonctionnement de sa structure novatrice de biais de flux magnétique est démontré, tout comme la présence de processus paramétriques dans le dispositif. Bien que les dispositifs mesurés ne présentent pas de fort gain, de meilleures performances pourraient être obtenues en optimisant le processus de fabrication des dispositifs.
La photonique Josephson est un domaine recent de la physique a la croisee entre l'electrodynamique quantique en circuit et le blocage de Coulomb dynamique. Elle explique et etudie la possibilite pour une paire de Cooper de traverser une jonction Josephson polarisee en tension par effet tunnel inelastique, en dissipant la difference de potentiel electrique aux bornes de la jonction sous forme de photons emis dans l'environnement electromagnetique de la jonction.
Cette these s'arrete sur deux aspects de la photonique Josephson:
La possibilite de controler la statistique des photons emis dans l'environnement, en particulier Generer des photons non-classiques;
La possibilite de stimuler l'emission de photons, ce qui permet d'Amplifier avec un bruit ajoute a la limite quantique.
Pour fonctionner ces dispositifs ne demandent qu'une simple tension continue servant a polariser la jonction Josephson. A terme ces dispositifs pourraient simplifier certaines mesures quantiques en remplacant avantageusement des dispositifs micro-ondes existants plus difficiles a utiliser.
Nous avons etudie nos dispositifs avec deux theories, la theorie P(E) et celle liant les flux de photons entrant et sortant, pour en tirer les caracteristiques de fonctionnement de nos dispositifs : taux d'emission, gain, bruit, bande passante, point de compression. Les dispositifs experimentaux mesures sont realises en nitrure de niobium en creant un environnement electromagnetique repondant a nos besoins. La possibilite de controler les processus photoniques que l'on veut en realisant l'environnement electromagnetique adapte laisse la porte ouverte a de futures dispositifs : divers sources non-classiques, amplificateurs large bande, detecteurs de photons.
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.
Amplification paramétrique en résonance et à ondes progressives proche de la limite quantique Un des défis des expériences d’information quantique avec des circuits quantiques supraconducteurs est la lecture de signaux microondes de très basses énergies. Les amplificateurs opérant à la limite quantique du bruit sont indispensables à cette tâche. C’est donc pourquoi ils occupent une place toujours plus prépondérante dans de telles expériences, en particulier pour la lecture de bits quantiques supraconducteurs.Dans cette thèse, nous présentons deux architectures d’amplificateurs limités quantiquement : la première est une architecture employant un résonateur alors que la seconde est basée sur des ondes progressives. Ces deux types d’amplificateurs ont en commun d’avoir comme brique élémentaire une jonction Josephson accordable en flux (squid). Cette dernière est le support idéal pour une amplification paramétrique limitée quantiquement : elle est à la fois non-linéaire et non dissipative (de par son caractère supraconducteur). Cette thèse s’emploie à démontrer le fonctionnement des amplificateurs paramétriques Josephson limités quantiquement que nous avons conçus et qui, grâce à des architectures originales, présentent des performances qui vont au-delà de l’état de l’art.Un inconvénient majeur des amplificateurs Josephson en résonance est leur étendue dynamique très limitée. Nous avons identifié l’origine de cette limitation, la non-linéarité Kerr, et avons réussi à l’adapter via l’implémentation de chaines de jonctions Josephson. Nous avons développé un modèle en bon accord avec nos données expérimentales, validant l’effet de la non-linéarité Kerr sur la saturation. Malgré tout, la plupart des amplificateurs résonants souffrent d’une limitation intrinsèque à leur architecture : la conservation du produit gain bande passante, limitant cette dernière. L’architecture à ondes progressives est un candidat idéal pour passer outre cette loi de conservation. Cependant, elle fait face à deux problèmes : l’adaptation en impédance et en phase. Concernant l’adaptation en impédance, nous avons mis au point un procédé de fabrication, simple et inédit, permettant d’avoir une impédance de 50 ohms avec une chaîne de plus de 2000 squids. Concernant l’adaptation en phase, nous avons faiblement modulé périodiquement l’impédance de la ligne de squid pour ouvrir un gap photonique et déformer localement la relation de dispersion. Cette technique n’ajoute en rien à la complexité du processus de fabrication, qui se démarquait déjà par sa simplicité. De plus, un modèle en bon accord avec nos données expérimentales a été développé, prenant notamment en compte le comportement non-linéaire du gap photonique dans un métamatériaux Josephson. Au-delà des amplificateurs limités quantiquement démontrés et leurs nombreuses applications, cette thèse ouvre des perspectives d’expériences d’optique quantique fondamentales à faire sur ces lignes de transmission hautement non-linéaires.Avec les amplificateurs en résonance, nous avons atteint des points de compression à 1dB (à 20dB de gain) de -117dBm, pour 45MHz de bande passante. Avec les amplificateurs à ondes progressives nous avons atteint un gain maximal de 18dB pour une bande-passante de 2.25GHz et un points de compression à 1dB atteignant -103dBm, tout en restant proche de la limite quantique de bruit.
La photonique Josephson est un domaine récent de la physique à la croisée entre l’électrodynamique quantique en circuit et le blocage de Coulomb dynamique. Elle explique et étudie la possibilité pour une paire de Cooper de traverser une jonction Josephson polarisée en tension par effet tunnel inélastique, en dissipant la différence de potentiel électrique aux bornes de la jonction sous forme de photons émis dans l’environnement électromagnétique de la jonction.Cette thèse s’arrête sur deux aspects de la photonique Josephson:• La possibilité de contrôler la statistique des photons émis dans l’environnement, en particulier Générer des photons non-classiques;• La possibilité de stimuler l’émission de photons, ce qui permet d’Amplifier avec un bruit ajouté à la limite quantique.Pour fonctionner ces dispositifs ne demandent qu’une simple tension continue servant à polariser la jonction Josephson. A terme ces dispositifs pourraient simplifier certaines mesures quantiques en remplaçant avantageusement des dispositifs micro-ondes existants plus difficiles à utiliser.Nous avons étudié nos dispositifs avec deux théories, la théorie P(E) et celle liant les flux de photons entrant et sortant, pour en tirer les caractéristiques de fonctionnement de nos dispositifs : taux d’émission, gain, bruit, bande passante, point de compression. Les dispositifs expérimentaux mesurés sont réalisés en nitrure de niobium en créant un environnement électromagnétique répondant à nos besoins. La possibilité de contrôler les processus photoniques que l’on veut en réalisant l’environnement électromagnétique adapté laisse la porte ouverte à de futures dispositifs : divers sources non-classiques, amplificateurs large bande, détecteurs de photons.
Photonique Josephson : génération & amplification micro-ondes en régime quantique La photonique Josephson est un domaine récent de la physique à la croisée entre l’électrodynamique quantique en circuit et le blocage de Coulomb dynamique. Elle explique et étudie la possibilité pour une paire de Cooper de traverser une jonction Josephson polarisée en tension par effet tunnel inélastique, en dissipant la différence de potentiel électrique aux bornes de la jonction sous forme de photons émis dans l’environnement électromagnétique de la jonction.Cette thèse s’arrête sur deux aspects de la photonique Josephson:• La possibilité de contrôler la statistique des photons émis dans l’environnement, en particulier Générer des photons non-classiques;• La possibilité de stimuler l’émission de photons, ce qui permet d’Amplifier avec un bruit ajouté à la limite quantique.Pour fonctionner ces dispositifs ne demandent qu’une simple tension continue servant à polariser la jonction Josephson. A terme ces dispositifs pourraient simplifier certaines mesures quantiques en remplaçant avantageusement des dispositifs micro-ondes existants plus difficiles à utiliser.Nous avons étudié nos dispositifs avec deux théories, la théorie P(E) et celle liant les flux de photons entrant et sortant, pour en tirer les caractéristiques de fonctionnement de nos dispositifs : taux d’émission, gain, bruit, bande passante, point de compression. Les dispositifs expérimentaux mesurés sont réalisés en nitrure de niobium en créant un environnement électromagnétique répondant à nos besoins. La possibilité de contrôler les processus photoniques que l’on veut en réalisant l’environnement électromagnétique adapté laisse la porte ouverte à de futures dispositifs : divers sources non-classiques, amplificateurs large bande, détecteurs de photons.
Mélange de signaux contra-propageants dans un dispositif Josephson à ondes progressives Les processus paramétriques ont permis le développement d’amplificateurs proche de la limite quantique de bruits dans le domaine des circuits supraconducteurs. En limitant le bruit ajouté aux signaux de faible puissance utilisés pour mesurer les qubits supraconducteurs — de l’ordre du photon unique pour une mesure non destructive (QND) —, ces amplificateurs ont permis d’améliorer significativement la fidélité de lecture ”en un coup” (single-shot) des qubits supraconducteurs, ouvrant la voie à leur utilisation pour le calcul quantique. Ces mêmes amplificateurs peuvent réaliser de la conversion de fréquence, après quelques changements mineurs. Les processus dérivent de l’interaction de plusieurs ondes électromagnétiques se propageant dans un milieu nonlinéaire. Dans le cas de la conversion, une onde de haute amplitude active l’échange d’énergie entre deux autres ondes de faibles amplitudes à deux fréquences différentes, tant que la somme des énergies et la somme des quantiés de mouvements des photons impliqués dans l’interaction sont conservées. Dans les réalisations existantes ces conditions sont éunies quand toutes les ondes se propagent approximativement avec la même vitesse de phase, et dans la même direction. Dans cette thèse, nous montrons que ce n’est pas la seule possibilité. Nous étudions un schéma alternatif dans lequel un signal microonde d’entrée se propageant dans un métamatériau Josephson unidimensionnel est converti en un signal de sortie se propageant dans la direction opposée. Cela est permis par l’interaction avec une onde de pompe se propageant avec une vitesse de phase plus faible. Dans ce nouveau régime, analogue à la diffusion Brillouin stimulée étudiée en optique, le signal d’entrée est atténué exponentiellement au fur et à mesure de sa progression dans le dispositif. Dans cette thèse, nous étudions plusieurs méthodes potentielles d’implémentation de ces nouveaux processus paramétriques. Nous commencer par analyser les propriétés de l’aluminium granulaire, un matériau à haute inductance cinétique, avant de nous intéresser à une ligne de transmission en métamatériaux excessivement complexe à quatre conducteurs. Ces deux méthodes d’implémentation inadaptées nous amènent à l’implémentation finale, une ligne de transmission en étamatériaux à trois conducteurs. Nous étudions l’évolution des processus dans ce support, et les exploitons pour implémenter un circulateur microonde sur puce robuste, qui peut être reconfiguré dynamiquement en un coupleur réciproque réglable. Le mode d’opération est sélectionné in-situ, ainsi que sa fréquence de fonctionnement au sein d’une large bande microonde. Dans la plage 5.5-8.5 GHz, nous mesurons une isolation de plus de 15 dB sur une bande passante typique de 100 MHz. Il reste de nombreuses opportunités d’améliorations, en optimisant le design et en réduisant la variation lors de la fabrication, ce qui ouvre de nouvelles possibilités pour le routage microonde et le traitement de signal dans les circuits supraconducteurs.