Optique quantique non linéaire avec les méta-matériaux Josephson

Nonlinear quantum optics with Josephson meta-materials

• Auteur / Autrice : Arpit Ranadive
• Direction : Wiebke Guichard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la matière condensée et du rayonnement
• Date : Soutenance le 07/11/2022
• 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 : Franck Balestro
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Philippe Poizat, Archana Kamal, Matthew Bell
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Benjamin Huard, Gerhard Kirchmair

Mots clés

Mots clés contrôlés

Théorie quantique de la mesure

Josephson, Effet

Mots clés libres

Métamatériau Josephson

Amplification limitée quantique

Amplificateur paramétrique à ondes progressives

Compression à large bande à deux modes

Twpa

Mesure quantique multiplexée

Josephson metamaterial

Quantum limited amplification

Traveling wave parametric amplifier

Broadband two mode squeezing

Twpa

Multiplexed quantum readout

Résumé

Les métamatériaux sont des matériaux conçus artificiellement pour présenter des propriétés qui n'existent pas dans les matériaux naturels, grâce à l'ingénierie des éléments constitutifs à des échelles inférieures à la longueur d'onde. Parmi les exemples de ces nouveaux phénomènes optiques, citons l'indice de réfraction négatif, l'occultation et l'imagerie à super-résolution. L'étude des métamatériaux supraconducteurs fonctionnant dans le domaine des micro-ondes a récemment suscité un intérêt significatif dans le cadre des technologies quantiques en raison d'un large éventail d'applications directes, par exemple l'exploration de nouveaux phénomènes d'optique quantique, la détection quantique non destructive, l'amplification à limite quantique, le traitement de l'information quantique et l'éclairage quantique. Contrairement à leurs homologues métalliques et semi-conducteurs normaux, les métamatériaux supraconducteurs offrent certains avantages uniques. Les plus pertinents pour les métamatériaux à jonction Josephson sont les faibles pertes, la quantification du flux et les effets Josephson. L'effet Josephson dans une boucle supraconductrice peut également être exploité pour contrôler plus précisément les non-linéarités du métamatériau.Dans cette thèse, nous présentons des métamatériaux à base de jonction Josephson avec une accordabilité in-situ des non-linéarités de deuxième et troisième ordre (Kerr). Nous avons optimisé les composites à jonction Josephson SNAILs, bien connus dans la communauté des circuits supraconducteurs, pour le cas spécifique d'utilisation de blocs de construction pour un méta-matériau non linéaire à impédance adaptée. Dans de tels dispositifs, la forte non-linéarité du troisième ordre (Kerr) peut être accordée de valeurs positives à négatives. Pour démontrer l'efficacité de ce phénomène, nous avons montré un cas d'utilisation du méta-matériau en tant que TWPA avec un nouveau mécanisme d'adaptation de phase : l'adaptation de phase Kerr inversée, qui utilise l'inversion de signe de la non-linéarité Kerr pour corriger la courbure de dispersion de tels dispositifs due à son plasma fini. Le méta-matériau exploité en tant que TWPA à Kerr inversé présente une bande d'amplification combinée d'une largeur allant jusqu'à 4 GHz avec une accordabilité de bande dynamique de 8 GHz, une saturation de -98 dBm (point de compression de 1 dB) autour d'un gain de 20 dB, et un bruit ajouté à l'amplificateur proche de la limite quantique standard. L'absence d'interruption de la transmission permet d'obtenir une bande d'amplification continue avec des ondulations de gain nettement plus faibles, contrairement aux amplificateurs de puissance à dispersion démontrés précédemment.Nous présentons également la génération d'intrication à l'aide des métamatériaux afin de démontrer leur polyvalence et de souligner davantage leur potentiel dans le cadre général de l'optique quantique non linéaire à micro-ondes. En raison de leur grande largeur de bande, ces dispositifs ont été identifiés comme prometteurs pour la génération d'un écrasement bimode et d'une intrication à large bande. Avec un dispositif optimisé pour la génération d'intrication à large bande, nous avons observé l'intrication entre deux modes séparés jusqu'à 400 MHz. Nous avons mesuré la négativité logarithmique entre 0,27 et 0,51, et le squeezing collectif en quadrature sous la limite du vide entre 1,5 et 2,1 dB. Les résultats de preuve de principe présentés peuvent ouvrir la voie à la mise en œuvre de métamatériaux basés sur la jonction Josephson dans de nouvelles applications, y compris la détection non destructive de photons uniques, la mesure et le contrôle de photons uniques dans la c-QED, l'informatique quantique basée sur les photons, la détection de précision, la détection de la matière noire et l'éclairage quantique.

Metamaterials are artificially designed materials to exhibit properties not available in natural materials by engineering the constituting elements at sub-wavelength scales, enabling unique interactions of matter with electromagnetic waves or coupling modes of electromagnetic waves. Examples of such novel optics phenomenons include negative index of refraction, cloaking, and super-resolution imaging. The study of superconducting metamaterials operating in the microwave frequency domain has recently generated significant interest in the framework of quantum technologies due to a wide range of direct applications, e.g., exploration of novel quantum optics phenomena, non-destructive quantum sensing, quantum-limited amplification, quantum information processing, and quantum illumination. In contrast to their normal metal and semiconducting counterparts, superconducting metamaterials offer some unique advantages. The most relevant of these for Josephson junction based metamaterials are low losses, flux quantization, and Josephson effects. The Josephson effect in a superconducting loop can also be exploited to exact more control over the nonlinearities of the meta-material.In this thesis, we present Josephson junction based metamaterials with in-situ tunability of second and third-order (Kerr) nonlinearities. We optimized the Josephson junction composites SNAILs, well-known in the superconducting circuits community, for the specific use case of building blocks for an impedance-matched nonlinear meta-material. In such devices, the strong third-order (Kerr) nonlinearity can be tuned from positive to negative values. To demonstrate the efficacy of this phenomenon, we have shown a use case of the meta-material as a TWPA with a new phase-matching mechanism: reversed Kerr phase matching, which utilizes the sign reversal of the Kerr nonlinearity to correct for the dispersion curvature of such devices arising due to its finite plasma. The meta-material operated as reversed Kerr TWPA exhibits up to 4 GHz wide combined amplification band with 8 GHz dynamic band tunability, -98 dBm saturation (1 dB compression point) around 20 dB gain, and amplifier added noise close to the standard quantum limit. The absence of any gaps in the transmission can provide a continuous amplification band with significantly lower gain ripples in contrast to the previously demonstrated TWPAs with dispersion engineering.We also present the generation of entanglement utilizing the metamaterials to demonstrate their versatility and further emphasize their potential in the general framework of nonlinear microwave quantum optics. Due to their large bandwidth, these devices have been identified as promising for generating two-mode squeezing and broadband entanglement. With a device optimized for the generation of broadband entanglement, we observed entanglement between two modes separated by up to 400 MHz. We measured logarithmic negativity between 0.27 and 0.51, and the collective quadrature squeezing below the vacuum limit between 1.5 and 2.1 dB. The presented proof-of-principle results can pave the way towards the implementation of Josephson junction based metamaterials in novel applications, including non-destructive single-photon detection, single-photon measurement and control in c-QED, photon-based quantum computing, precision sensing, the detection of dark matter, and quantum illumination.