Un détecteur à haute inductance cinétique de photon micro-onde

High kinetic inductance-based microwave photon detection

• Auteur / Autrice : Ognjen Stanisavljević
• Direction : Julien Basset
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 13/06/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des solides (Orsay, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Sophie Guéron
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ville Maisi, Nicolas Roch, Joachim Ankerhold, Max Hofheinz
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ville Maisi, Nicolas Roch

Mots clés

Mots clés contrôlés

Détecteurs de microondes

Détecteurs de photons

Résonateurs supraconducteurs

Mots clés libres

Supraconducteur désordonné

Physique quantique

Jonction tunnel

Hyperfrequences

Disordered superconductors

Quantum physics

Tunnel junctions

Microwaves

Résumé

Les détecteurs de photons uniques aux fréquences visibles sont des outils essentiels dans de nombreux domaines de la technologie quantique, tels que la distribution de clés quantiques ou l'optique quantique. Cependant, la réalisation de détecteurs de photons uniques micro-ondes continus et hautement efficaces reste un défi. Dans cette thèse, nous proposons et mettons en œuvre un détecteur de photons micro-ondes basé sur une jonction tunnel supraconductrice couplée à une cavité micro-ondes. Les photons incidents à la fréquence du résonateur sont absorbés par la jonction via un effet tunnel inélastique de quasiparticules, ce qui entraîne un courant tunnel photo-assisté mesurable. Pour augmenter le taux d'effet tunnel inélastique, le résonateur est fabriqué en aluminium granulaire, ce qui conduit à une impédance caractéristique du mode de l'ordre du quantum de résistance. En mesurant le courant dû aux processus d'ordre supérieur, nous calibrons le détecteur et estimons l'efficacité quantique à 0,83, un ordre de grandeur plus élevé que celui rapporté dans la littérature pour les détecteurs basés sur l'effet tunnel photo-assisté. En plus du courant photo-assisté, la puissance émise par l'échantillon est mesurée, et il est démontré que le même dispositif peut être utilisé pour refroidir efficacement un circuit supraconducteur. Nous discutons de la compatibilité du détecteur de photons mis en œuvre avec les techniques de comptage de charge nécessaires pour discerner les électrons individuels, tels que les RF-SET. Nous réalisons un RF-SET à l'aide d'un résonateur granulaire en aluminium à haute impédance, et nous montrons une forte absorption de photons pour des tensions de polarisation et de grille appropriées. En outre, nous mesurons la sensibilité à la charge de ce dispositif à un niveau aussi bas que 5e-5 e/sqrt(Hz). Ainsi, les expériences de ce travail montrent que la combinaison d'un transistor radiofréquence à électron unique avec un convertisseur photon-électron à haute efficacité basé sur l'effet tunnel inélastique pourrait conduire à un compteur de photons micro-ondes unique pratique.

Single photon detectors at visible frequencies have been essential tools in many areas of quantum technology, such as quantum key distribution or quantum optics. However, realizing highly efficient continuous single microwave photon detectors remains challenging. In this thesis, we propose and implement a microwave photon detector based on a superconducting tunnel junction coupled to a microwave cavity. Incident photons at resonator frquency are absorbed by the junction via inelastic quasiparticle tunneling, resulting in measurable photo-assisted tunneling current. To increase the inealstic tunneling rate, the resonator is fabricated in granular aluminium, leading to the mode characteristic impedance on the order of quantum of resistance. By measuring the current due to higher order processes, we calibrate the detector and estimate the quantum efficiency to be 0.83 --- an order of magnitude higher than reported in literature for detectors based on photo-assisted tunneling. In addition to the photo-assisted current, the power emitted by the sample is measured, and it is shown that the same device could be utilized to effectively cool superconducting circuits. We discuss the compatibility of the implemented photon detector with charge counting techniques required for discerning individual electrons, such as RF-SETs. We realize an RF-SET using a high-impedance granular aluminum resonator, and show high photon absorption for suitable bias and gate voltages. Additionally, we measure the charge sensitivity of this device as low as 5e-5 e/sqrt(Hz). Thus, the experiments in this work show that combining a radio-frequency single-electron transistor with a high efficiency photon to electron converter based on inelastic tunneling could lead to a practical single microwave photon counter.