Optomécanique micro-onde à ultra-basses températures pour la détection quantique

Ultra-low temperatures microwave optomechanics for quantum sensing

• Auteur / Autrice : Dylan Cattiaux
• Direction : Eddy Collin, Xin Zhou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la matière condensée et du rayonnement
• Date : Soutenance le 03/03/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Néel (Grenoble, Isère, France ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Philippe Poizat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Natalia Ares, Olivier Bourgeois
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Florian Marquardt, Antoine Heidmann

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électronique quantique

Basses températures -- Recherche

Capteurs optiques

Mots clés libres

Ultra-Basses températures

Optomécanique

Limite quantique

Nonlinéarité

Nanomécanique

Ultra-Low temperatures

Optomechanics

Quantum limit

Nonlinearity

Nanomechanics

Résumé

Dans cette thèse, nous introduisons premièrement ce qu’est l’optomécanique ainsi que ce pourquoi les technologies basées sur cette physique peuvent-être utilisées. Nous présentons les systèmes optomécaniques comme étant d’une incroyable sensibilité en force/position et discutons de leurs extraordinaires capacités tel que la détection d’ondes gravitationnelles. De plus, les récents intérêts portant sur l’obervation et l’exploitation des mouvements mécaniques macroscopiques à la limite quantique nous ont amené à mesurer toujours plus bas en temperatures (ainsi qu’à réduire la taille des objects utilisés), ce qui à stimulé le développement d’un nouveau domaine de recherche dans lequel des photons de plus basse énergie (bien plus compatibles avec les basses températures) sont utilisés : l’optomécanique micro-onde. Des circuits micro-ondes supraconducteurs sont donc utilisés et font ainsi passerelle entre l’optomécanique et l’électronique quantique, ce qui positionne l’optomécanique microonde comme une nouvelle ressource pour le traitement quantique de l’information. Les plateformes optomécaniques micro-onde fournissent aussi des capacités uniques pour ce qui est de tester la mécanique quantique au niveau le plus basique. En effet, il ne fait aucun doute que la mécanique quantique s’applique à l’oscillateur harmonique qui représente le mouvement mécanique. Cependant, presque toutes les expérimentations se concentrent sur les deux modes (bosoniques) impliqués dans le couplage optomécanique, à savoir, le mode mécanique ainsi que le mode optique. La plupart des expérimentateurs s’appuient aujourd’hui sur le refroidissement optique actif pour amener l’unique degré de liberté mécanique sur lequel l’intérêt est porté au plus proche de l’état quantique fondamental. Ces objets mécaniques sont donc utilisés hors-équilibre, leur environnement directe étant essentiellement incontrôlé. Cependant, considérant ces systèmes en termes de détecteur opérant à la limite quantique, où devons nous concentrer notre attention ? Sur le bain bien sûr, celui-ci interagissant continûment avec le degré de liberté mécanique. A ce jour, ce n’est pas l’objectif suivi par la plupart des groupes de recherche, et seulement très peu d’expérimentateurs font face à ces questions. Dans ce cas, le sujet d’étude n’est plus le système lui-même, mais son bain environnant. L’objectif est donc de rechercher des déviations aux signatures attendues de l’impact de l’environnement sur la dynamique de la mécanique. Ces signatures pourraient être due à un certain type d’éffondrement stochastique lié par exemple à la gravité quantique. Pour étudier ce sujet, nous avons donc besoin de comprendre parfaitement les comportements des systèmes optomécaniques micro-onde en régime classique ainsi qu’en régime quantique. De plus, contrôler à la perfection leurs bains environnants est une nécessité. Ce projet extrêmement ambitieux requiert donc une expertise certaine en théorie quantique, en cryogénie (démagnétisation nucléaire), ainsi qu’en technologie micro-onde (détection à la limite quantique). Ces points sont le sujet de cette thèse expérimentale.

In this thesis, we first introduce what is the field of optomechanics and for what use one can apply its related technologies. We present the amazing force/position sensitivity of optomechanical systems, and discuss some of their tremendous capabilities such as gravitational wave detection. Besides, the recent interest in observing and exploiting macroscopic mechanical motion at the quantum limit brought the experiments down to always lower temperatures (and also smaller sizes), which boosted a new area of research were (more compatible) low energy photons are employed: microwave optomechanics. Superconducting microwave circuits are thus in use and bridge optomechanics with quantum electronics, which positions the former as a new resource for quantum information processing. Microwave optomechanical platforms provide also unique capabilities for testing quantum mechanics at the most basic level. Obviously, there is no doubt that quantum mechanics applies to the harmonic oscillatorthatrepresentsthemechanicalmotion. However,almostallexperimentsfocusonthetwomodes (bosons) involved in the optomechanical coupling, namely the mechanical one and the optical one; andpeoplerelyonanactivecoolingschemetobringthesinglemotionaldegreeoffreedomonwhich their interest is focused as close as possible to the quantum ground state. These mechanical objects are thus operated out-of-equilibrium, their direct environment being kept essentially uncontrolled. Butifonethinksaboutthesedevicesintermsofquantum-limiteddetectors,whereshallthenbethe focus? It is obviously the bath that continuously interacts with the mechanical degree of freedom. To date, this is not the route followed by the main stream research, and only few experiments are tackling this issue. In this case the subject of the study is no more the device but its surrounding baths. What is thus looked for is deviations to the expected signature of the environment’s impact on the mechanical dynamics. These signatures could be due to any type of stochastic collapse, especially what is believed to stem from quantum gravity. We finally come to the point that for this purpose one obviously needs to understand perfectly the classical and quantum behaviors of these microwave optomechanical devices and that one absolutely needs to control their surrounding baths. This extremely challenging project thus requires expertise in quantum theory, ultimate cryogenics (nuclear demagnetization), and microwave technology (quantum-limited detection). These points are the subject of this experimental thesis.