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Romain Albert

Multiplication de photons dans le domaine du micro-onde grâce au tunneling inélastique de paires de Cooper

Publié le 6 novembre 2019
Thèse soutenue le 06 novembre 2019 pour obtenir le grade de docteur de la Communauté Université Grenoble Alpes - Spécialité : Physique de la Matière Condensée et du Rayonnement

Résumé :
Durant les quinze dernières années, un grand nombre d’expériences d’optique quantique ont été reproduites dans le domaine des micro-ondes. Ces expériences ont été rendues possible grâce au couplage fort entre les champs électromagnétiques et jonctions Josephson au sein de circuits intégrés supraconducteurs.
Cette thèse démontre l’existence d’un processus de conversion d’un photon micro-onde vers plusieurs photons avec une fréquence différente. Cette photo-multiplication n’impose théoriquement pas d’ajout de bruit, au contraire d’une amplification non sensible à la phase. Ce processus peut donc être à la base d’un détecteur de photon unique simple, ce qui n’existe pas encore dans le domaine des micro-ondes.
Pour obtenir une photo-multiplication efficace, un couplage non-linéaire fort est nécessaire. Nous avons conçu des résonateurs avec une grande impédance caractéristique et les avons couplés avec des jonctions Josephson polarisées avec une tension continue, la jonction étant à l’origine de la non-linéarité nécessaire. Ces résonateurs sont constitués par des bobines planes. Ils sont fabriqués simultanément avec les jonctions Josephson au sein d’un procédé utilisant une tri-couche de niobium. Ce procédé permet la fabrication de jonctions SIS de faible capacité parasite.
Expérimentalement, nous avons mesuré une conversion d’un photon vers deux photons avec une efficacité de 80% et observé la conversion d’un photon vers trois photons, en accord avec la théorie. En principe, ce processus peut être répété pour mettre au point un détecteur de photon-unique, distinguant le nombre de photons simultanés en entrée. Un tel détecteur serait constitué d’au moins deux étages de photo-multiplication puis d’un amplificateur limité quantiquement en sortie.

Jury :
Président : Monsieur Serge Florens
Rapporteur : Monsieur Çağlar Girit
Rapporteur : Monsieur Frank Wilhelm-Mauch
Examinatrice : Madame Hélène Bouchiat
Examinateur : Monsieur Zaki Leghtas
Directeur de thèse : Monsieur François Lefloch
Co-directeur de thèse : Monsieur Max Hofheinz

Mots clés :
Optique quantique, Micro-onde, Jonction Josephson

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