Amplification paramétrique en résonance et à ondes progressives proche de la limite quantique

par Luca Planat

Thèse de doctorat en Physique de la Matière Condensée et du Rayonnement

Sous la direction de Wiebke Guichard.

Thèses en préparation à l'Université Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale physique , en partenariat avec Institut Néel (laboratoire) .


  • Résumé

    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.

  • Titre traduit

    Resonant and traveling-wave parametric amplification near the quantum limit


  • Résumé

    A requirement for quantum information experiments using superconducting quantum circuits is the readout of extremely weak microwave signals. Quantum limited amplifiers are essential for such task and this is precisely why they occupy an always-growing importance in such experiments, particularly for superconducting quantum bits readout. In this thesis, we present two quantum limited amplifiers architectures: the first one is based on a resonator while the second one leverages a traveling-wave construction. These amplifiers both take advantage of tunable Josephson junctions (squid). It is the ideal component for quantum limited parametric amplification: it is both nonlinear and dissipationless (given its superconducting nature). This thesis demonstrates the operation of these Josephson quantum limited amplifiers and how they go beyond the state-of-the-art thanks to original design choices. An important limitation of resonant Josephson parametric amplifiers is their poor dynamic range. We identified the Kerr nonlinearity as the main cause, and we successfully managed to tailor it using Josephson junction arrays. We also developed a model in good agreement with the experimental data, therefore validating our initial assumption that the Kerr nonlinearity and saturation are linked. However, most of the resonant Josephson parametric amplifiers suffer from a fundamental issue, arising from their architecture. It is the conservation of the gain bandwidth product, therefore limiting their bandwidth. Traveling-wave architectures are well suited to overcome this limitation. However, two new issues must be dealt with: impedance matching and phase matching. To tackle the former, we developed an original and simple fabrication process in order to obtain a 50ohm matched 2000 squid array. As for the phase, we matched it by periodically modulating the impedance of the squid transmission line in order to open a photonic band gap. Therefore, we locally distort the dispersion relation. This step does not add any complexity to the initial fabrication process. Moreover, we developed a model in good agreement with experimental data while considering the nonlinear behavior of the photonic gap in a Josephson metamaterial. In addition to demonstrating high performance amplifiers poised for numerous quantum technological applications, this thesis opens the door to more fundamental quantum optics experiments taking advantage of these highly nonlinear transmission lines. With the resonant amplifiers, we measured a 1dB compression point around -117dBm and 45MHz bandwidth (at 20 db gain). With the traveling-wave amplifiers, we measured 18dB gain on a 2.25GHz bandwidth, a 1dB compression point reaching -103dBm and near quantum-limited noise performances.