Refroidissement électromécanique et amplification paramétrique d'un oscillateur mécanique de très haut facteur de qualité

Electromechanical cooling and parametric amplification of an ultrahigh-Q mechanical oscillator

• Auteur / Autrice : Thibault Capelle
• Direction : Antoine Heidmann
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 25/09/2020
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Kastler Brossel (Paris ; 1998-....)
• Jury : Président / Présidente : Bernard Perrin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Albert Schliesser, Samuel Deléglise, Thibaut Jacqmin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Eddy Collin, Eva Weig

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optomécanique

Oscillateurs à microondes

Cryotechnique

Supraconductivité

Optique quantique

Systèmes microélectromécaniques

Cavités résonnantes (microondes)

Mots clés libres

Optomécanique

Electromécanique

Cavité microonde

MEMS

Cryogénie

Etat quantique fondamental

Refroidissement optique

Nitrure de silicium

Etat de Fock mécanique

Optomechanics

Silicon nitride

MEMS

Microwave cavity

Cryogenics

Quantum ground state

Optical cooling

Quantum backaction

Mechanical Fock state

Résumé

Dans cette thèse, nous avons étudié un système mécanique de très haut facteur de qualité couplé à une cavité micro-onde supraconductrice. Nous présenterons une technique originale de caractérisation des pertes des cavités micro-ondes planaires, ainsi qu’une technique de refroidissement par bande latérale résolue utilisée pour refroidir activement cet oscillateur mécanique à l’aide de la cavité micro-onde. Enfin, nous présenterons des optimisations de cette expérience qui ouvrent la voie au refroidissement de l'oscillateur mécanique dans son état quantique fondamental. Un tel système hybride pourrait jouer le rôle de mémoire quantique sur puce, permettant de stocker les états quantiques non-gaussiens générés par des circuits quantiques supraconducteurs dans des vibrations mécaniques avec des temps de cohérence approchant la seconde.

In this thesis, we have studied an ultrahigh quality factor mechanical oscillator coupled to a microwave cavity. We will present an original technique to probe the losses of planar microwave cavities, as well as a resolved sideband cooling technique to actively cool this mechanical oscillator using the microwave cavity. Finally, we will present some optimizations of this experiment which open the path towards the ground state cooling of the mechanical oscillator. Such a hybrid quantum system could be used as an on-chip quantum memory, able to store fragile quantum states generated by superconducting quantum circuits for coherence times approaching a second.