Quantum dynamics of a high impedance microwave cavity strongly coupled to a Josephson junction

par Gianluca Aiello

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Julien Gabelli.

Soutenue le 17-12-2020

à université Paris-Saclay , dans le cadre de Physique en Île de France , en partenariat avec Laboratoire de physique des solides (Orsay, Essonne) (laboratoire) et de Faculté des sciences d'Orsay (référent) .

Le président du jury était Richard Deblock.

Le jury était composé de Benjamin Huard, Olivier Buisson, Ioan Mihai Pop, Hélène Le Sueur.

Les rapporteurs étaient Benjamin Huard, Olivier Buisson.

  • Titre traduit

    Dynamique quantique d'une cavité micro-onde à haute impédance fortement couplée à une jonction Josephson


  • Résumé

    Le but de cette thèse est d'étudier les propriétés et la dynamique d'une cavité micro-onde à haute impédance couplée galvaniquement à une jonction Josephson polarisée en tension. La cavité est réalisée en aluminium granulaire, un supraconducteur désordonné à haute inductance cinétique, qui nous a permis d'obtenir des modes avec un facteur de qualité élevé (jusqu'à 30 000) et une grande impédance caractéristique allant jusqu'à 5 kOhm dans la gamme du GHz. L'occupation et les propriétés des modes de la cavité sont fortement influencées par les processus tunnel se produisant dans la jonction connectée à la cavité. Comme l'impédance caractéristique des modes est comparable au quantum de résistance, des processus non linéaires d'ordre élevé sont observés. À basse tension par rapport au gap supraconducteur de la jonction, le processus dominant est le passage tunnel inélastique des paires de Cooper, qui peuple les différents modes de la cavité. Nous mesurons directement l'émission de photons dans un mode à 6 GHz et observons plus de 70 pics d'émission en fonction de la tension de polarisation, une signature claire de la non-linéarité élevée. Aux tensions plus élevées proches du gap, le tunneling des quasi-particules domine. Ce processus dissipatif modifie à la fois la fréquence de résonance et la largeur des modes. Un traitement quantique de ce processus dissipatif en termes de décalage de Lamb et de sauts quantiques est nécessaire pour expliquer quantitativement nos mesures. Ces résultats montrent le potentiel de l'aluminium granulaire pour réaliser des expériences d'optique quantique dans un régime où le transport de charge et les photons micro-ondes sont fortement couplés.


  • Résumé

    The purpose of this thesis is to investigate the properties and the dynamics of a high impedance microwave cavity galvanically coupled to a DC biased Josephson junction. The cavity is realized in granular Aluminum, a disordered superconductor with high kinetic inductance, which allowed us to obtain modes with a high quality factor (up to 30000) and a large characteristic impedance up to 5 kOhm in the GHz range. The occupation and the properties of the cavity modes are strongly affected by the charge tunneling processes occurring in the junction connected to the cavity. Because the characteristic impedance of the modes is comparable to the quantum of resistance, high order non-linear processes are observed. At low voltages compared to the superconducting gap of the junction, the dominant process is the inelastic tunneling of Cooper pairs, which populates the different cavity modes. We directly measure the photon emission in one mode at 6 GHz and observe more than 70 emission peaks as a function of bias voltage, a clear signature of the high non-linearity. At larger voltages close to the gap, quasiparticle tunneling dominates. This dissipative process modifies both the resonance frequency and the linewidth of the modes. A quantum treatment of this dissipative process in terms of Lamb shift and quantum jumps is required to quantitatively explain our measurements. These results show the potential of granular Aluminum to realize microwave quantum optics experiments in a regime where charge transport and microwave photons are strongly coupled.


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