Multiplication de photons dans le domaine du micro-onde grâce au tunneling inélastique de paires de Cooper

Multiplication of microwave photons via inelastic Cooper pair tunneling

• Auteur / Autrice : Romain Albert
• Direction : François Lefloch, Max Hofheinz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la matière condensée et du rayonnement
• Date : Soutenance le 06/11/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Photonique, électronique et ingénierie quantiques (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Serge Florens
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hélène Bouchiat, Zaki Leghtas
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Çağlar Girit, Frank K. Wilhelm-Mauch

Mots clés

Mots clés contrôlés

Supraconducteurs

Théorie quantique

BCS, Théorie

Photons

Mots clés libres

Optique quantique

Micro-Onde

Jonction Josephson

Quantum optics

Microwave

Josephson photonics

Résumé

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.

During the last 15 years, many quantum optics experiments were reproduced with microwave photons using superconducting circuits by building on the strong interaction of electromagnetic fields with Josephson junctions.This thesis focuses on the demonstration of a process where one microwave photon is converted to several photons at a different frequency. Contrary to phase-insensitive amplification, this multiplication can, in principle, be performed without added noise, thereby providing a building block for a simple single photon detector which is still missing for microwave photons.In order to attain efficient photo-multiplication, strong nonlinear coupling is required. We have designed high-impedance resonators coupled to voltage-biased Josephson junctions in order to provide the necessary non-linearity. The high-impedance resonators are designed using planar coils and are fabricated together with SIS Josephson junctions in a niobium trilayer process providing low capacitance junctions.Experimentally, we demonstrate the conversion from one to two photons with 90% efficiency and observe conversion from one to three photons, in agreement with theory. Cascading of at least two such multiplication stages should allow for discriminating an incoming one photon state from vacuum using a subsequent quantum limited amplifier, which can be realized using similar physics. Such a chain would then implement a number-resolving microwave single photon detector without deadtime.