Mélange de signaux contra-propageants dans un dispositif Josephson à ondes progressives

Mixing of counterpropagating signals in a traveling-waveJosephson device

• Auteur / Autrice : Matthieu Praquin
• Direction : Philippe Campagne-ibarcq, Zaki Leghtas
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 19/11/2024
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : Physique en Ile de France
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique de l'École normale supérieure
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Ecole normale supérieure
• Jury : Président / Présidente : Nicolas Treps
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Zaki Leghtas, Nicolas Roch, Kevin O'brien
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nicolas Roch, Kevin O'brien

Mots clés

Mots clés libres

Micro-ondes

Calcul quantique

Matériau à haute inductance cinétique

Traitement du signal

Ondes progressives

Processus paramétrique

High kinetic inductance material

Microwave

Signal processing

Quantum computing

Traveling waves

Parametric processes

Résumé

Les processus paramétriques ont permis le développement d'amplificateurs proche de la limite quantique de bruits dans le domaine des circuits supraconducteurs. En limitant le bruit ajouté aux signaux de faible puissance utilisés pour mesurer les qubits supraconducteurs---de l'ordre du photon unique pour une mesure non destructive (QND)---, ces amplificateurs ont permis d'améliorer significativement la fidélité de lecture ''en un coup'' (single-shot) des qubits supraconducteurs, ouvrant la voie à leur utilisation pour le calcul quantique. Ces mêmes amplificateurs peuvent réaliser de la conversion de fréquence, après quelques changements mineurs. Les processus dérivent de l'interaction de plusieurs ondes électromagnétiques se propageant dans un milieu nonlinéaire. Dans le cas de la conversion, une onde de haute amplitude active l'échange d'énergie entre deux autres ondes de faibles amplitudes à deux fréquences différentes, tant que la somme des énergies et la somme des quantités de mouvements des photons impliqués dans l'interaction sont conservées. Dans les réalisations existantes ces conditions sont réunies quand toutes les ondes se propagent approximativement avec la même vitesse de phase, et dans la même direction. Dans cette thèse, nous montrons que ce n'est pas la seule possibilité. Nous étudions un schéma alternatif dans lequel un signal microonde d'entrée se propageant dans un métamatériau Josephson unidimensionnel est converti en un signal de sortie se propageant dans la direction opposée. Cela est permis par l'interaction avec une onde de pompe se propageant avec une vitesse de phase plus faible. Dans ce nouveau régime, analogue à la diffusion Brillouin stimulée étudiée en optique, le signal d'entrée est atténué exponentiellement au fur et à mesure de sa progression dans le dispositif. Dans cette thèse, nous étudions plusieurs méthodes potentielles d'implémentation de ces nouveaux processus paramétriques. Nous commencer par analyser les propriétés de l'aluminium granulaire, un matériau à haute inductance cinétique, avant de nous intéresser à une ligne de transmission en métamatériaux excessivement complexe à quatre conducteurs. Ces deux méthodes d'implémentation inadaptées nous amènent à l'implémentation finale, une ligne de transmission en métamatériaux à trois conducteurs. Nous étudions l'évolution des processus dans ce support, et les exploitons pour implémenter un circulateur microonde sur puce robuste, qui peut être reconfiguré dynamiquement en un coupleur réciproque réglable. Le mode d'opération est sélectionné in-situ, ainsi que sa fréquence de fonctionnement au sein d'une large bande microonde. Dans la plage 5.5-8.5~GHz, nous mesurons une isolation de plus de 15~dB sur une bande passante typique de 100~MHz. Il reste de nombreuses opportunités d'améliorations, en optimisant le design et en réduisant la variation lors de la fabrication, ce qui ouvre de nouvelles possibilités pour le routage microonde et le traitement de signal dans les circuits supraconducteurs.

Parametric processes in the domain of superconducting circuits have enabled near quantum-limited amplifiers. By limiting the added noise to the low power signals used to measure superconducting qubits---of the order of a single photon for a non-destructive measurement (QND)---, these amplifiers allowed to significantly improve the single-shot reading fidelity of superconducting qubits, paving the way to their use in quantum computing. The same amplifiers can perform frequency conversion, with minor adjustments. The processes stem from the interaction of multiple light waves propagating in a nonlinear medium. In the case of conversion, a high-amplitude wave mediates the exchange of energy between two low-amplitude signals at different frequencies, as long as the sum of energies and the sum of momenta of the photons involved in the interaction are conserved. In existing realizations, this condition is met when all waves propagate with the same phase velocity, along the same direction. In this work, we show this is not the only possibility. We investigate an alternative scheme by which an input microwave signal propagating along a 1-dimensional Josephson metamaterial is converted to an output wave propagating in the opposite direction. This is enabled by the interaction with a pump wave propagating at a lower phase velocity. In this novel regime, the input signal is exponentially attenuated as it travels down the device. In this thesis, we study several potential methods of implementing these new parametric processes. We start by investigating the properties of granular aluminum, a high-kinetic inductance material, before analyzing an excessively complex four-conductor transmission line metamaterial. The two former ill-suited means of implementation lead us to the final realization, a three-conductor transmission line metamaterial. We study the behavior of the processes in this support, and exploit them to implement a robust on-chip microwave circulator that can be dynamically reconfigured into a reciprocal and tunable coupler. The device mode of operation is selected in situ, along with its working frequency over a wide microwave range. In the 5.5-8.5 GHz range, we measure an isolation over 15 dB on a typical bandwidth of 100 MHz. Substantial margin for improvement exists through design optimization and by reducing fabrication disorder, opening new avenues for microwave routing and processing in superconducting circuits.