Le radar à électrons : Détection interférométrique de champ électromagnétiques dépendant du temps aux échelles sub-nanoseconde au moyen d'excitations à un électron

The electron quantum radar : interferometric detection of time-dependent electromagnetic fields at the sub-nanosecond time scale and using single electron excitations

• Auteur / Autrice : Hubert Souquet-Basiège
• Direction : Pascal Degiovanni
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 29/09/2023
• Etablissement(s) : Lyon, École normale supérieure
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique (Lyon ; 1988-....)
• Jury : Président / Présidente : Benjamin Huard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Degiovanni, Benjamin Huard, Dario Ferraro, Anne Anthore, Christopher Bäuerle, Audrey Bienfait, François Parmentier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Dario Ferraro, Anne Anthore

Mots clés

Mots clés contrôlés

Excitation coulombienne

Optique quantique électronique

Mots clés libres

Optique quantique électronique

Cohérence quantique

Interférences électroniques

Interaction Coulombienne

Détecteurs quantiques

Technologie quantique

Electron quantum optics

Quantum coherence

Electronic interferences

Coulomb interaction

Quantum sensing

Quantum technologies

Résumé

Les progrès récents en nanoélectronique quantique ont permis la fabrication de circuits permettant de générer, contrôler et caractériser des courants constitués de un à quelques électrons. Cette percée a engendré de nouvelles technologies quantiques de détection, telles que le radar quantique à électrons (RQE) présenté dans cette thèse. Le RQE est un capteur exploitant la sensibilité aux champs électromagnétiques et la cohérence d'électrons uniques pour sonder l'état quantique d'un rayonnement micro-ondes avec une résolution temporelle sub-nanoseconde. Il est conçu comme un interféromètre de Mach-Zehnder (IMZ) dont l'une des branches est couplée au champ à sonder. En traversant l'interféromètre, la fonction d'onde d'un électron est modifiée par le rayonnement. Ce changement est encodé dans les interférences contenues dans le courant électrique moyen sortant de l'IMZ qui permettent de remonter à des informations sur le rayonnement. Deux chapitres sont consacrés au design du coupleur, couplant les électrons au champ électromagnétiques à sonder, ainsi qu'à la modulation des états mono-électroniques injectés. Ces deux éléments déterminent en grande partie le pouvoir de résolution du RQE pour un rayonnement donné. Enfin nous discutons la capacité du RQE à sonder des champs électromagnétiques aux temps courts sur des exemples spécifiques, tel que la mesure du bruit non stationnaire d'un vide quantique comprimé ou la détection de photons uniques. On montre ainsi son potentiel pour résoudre en temps et en fréquence les propriétés d'un rayonnement quantique.

Recent advances in quantum nano-electronics have lead to the manufacturing of electrical circuits in which quantum electrical currents involving one to a few electrons can be generated controlled and characterized. This breakthrough has spurred the development of sophisticated quantum sensing technologies, such as the electron quantum radar (EQR) introduced in this work. The EQR is an interferometric sensor leveraging both the sensitivity to electromagnetic fields and the long coherence time of single electrons to probe the quantum state of microwave radiations with subnanosecond time resolution. It is designed as a Mach-Zehnder interferometer (MZI) with one branch coupled to the radiation to be probed. As a single-electron propagates along both branches of the MZI, its wave function is altered by the radiation. This shift is imprinted in the interferences contribution to the average electrical current exiting the interferometer which then provides information about the radiation. Part of this work focuses on the shaping of single electron wave-packets and on the design of the radiation coupler which coupled the incoming single electron to the electromagnetic radiation to be probed. These two elements determine the EQR's resolving power for each probed radiation. Finally, the EQR's sensing capabilities are evaluated through specific examples, such as probing squeezed states or single photon detection, demonstrating its potential to measure properties of quantum radiation in both time and frequency domains in realistic forth coming experiments.