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Salha Jebari

Un amplificateur basé sur le tunneling inélastique de paires de Cooper

Publié le 26 juin 2017


Thèse soutenue le 26 juin 2017 pour obtenir le grade de docteur de la Communauté Université Grenoble Alpes - Spécialité : Physique de la Matière Condensée et du Rayonnement

Résumé :
Les amplificateurs paramétriques Josephson (JPA) se sont révélés être un outil indispensable pour l’étude expérimentale de dispositifs quantiques dans le régime micro-onde ; car ils rajoutent uniquement le minimum de bruit imposé par la mécanique quantique. Cependant, ces amplificateurs sont beaucoup plus difficiles à utiliser et optimiser que leurs homologues classiques. Récemment, plusieurs expériences réalisées avec des circuits supraconducteurs, composés d’une jonction Josephson polarisée en tension en série avec un résonateur microonde, ont montré qu’une paire de Cooper peut traverser la barrière de la jonction par effet tunnel en émettant un ou plusieurs photons avec une énergie totale de 2e fois la tension appliquée. Dans cette thèse, nous montrerons qu’un tel circuit permet de mettre en place un amplificateur micro-onde préservant la phase que nous appelons « Amplificateur basé sur le tunneling inélastique de paires de Cooper » (ICTA). Il est alimenté par une tension continue et peut fonctionner avec un bruit très proche de la limite quantique.
Nous commencerons en présentant le principe du fonctionnement de l’ICTA. Par analogie avec la théorie quantique des JPA, nous avons étudié les performances de cet amplificateur comme le gain, la bande passante et le bruit. Ensuite, nous présenterons la première preuve expérimentale d’une amplification proche de la limite quantique sans utilisation d’une pompe micro-onde externe, mais simplement d’une tension continue dans une configuration extrêmement simple. Ces mesures ont été faites sur des échantillons avec des jonctions en aluminium, dénommés ICTA de première génération. Selon nos résultats théoriques et expérimentaux, nous avons conçu des circuits hyperfréquences où l’impédance présentée à la jonction dépend de fréquences spécifiques afin d’optimiser les performances de notre amplificateur. Ces échantillons, dénommés ICTA de seconde génération, ont été fabriqués avec du nitrure de niobium. Une amélioration significative du gain et du bruit a été prouvée.
Un tel amplificateur, alimenté par une simple tension continue, pourrait rendre la mesure de signaux micro-ondes au niveau du photon unique beaucoup plus faciles et permettre d’intégrer plusieurs amplificateurs sur une seule puce. Il pourrait donc être un élément important pour la lecture de qubit dans les processeurs quantiques à grande échelle.

Jury :
Président : Pr Wiebke Guichard
Rapporteur : Pr Michel H. Devoret
Rapporteur : Pr Benjamin Huard
Examinateur : Dr Fabien Portier
Directeur de thèse : Dr Marc Sanquer
Co-directeur de thèse : Dr Max Hofheinz

Mots clés :
Limite quantique, Jonction Josephson, Optique quantique, Circuits supraconducteurs quantiques, Blocage de Coulomb dynamique, Amplificateurs micro-Ondes

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