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Theses Year : 2018

Josephson photonics : microwave generation & amplification in the quantum regime

Photonique Josephson : génération & amplification micro-ondes en régime quantique

Abstract

The recent field of Josephson photonics is about the interplay between circuit quantum electrodynamic and dynamical Coulomb blockade. It explains and studies the ability of a Cooper pair to inelasticity tunnel through a DC-biased Josephson junction by dissipating the Cooper pair energy in the electromagnetic environment of the junction in the form of photons.This thesis focuses on two aspects of the Josephson photonics:• Control over the statistics of the emitted photons with focus on Generation of non-classical photons;• Stimulated emission of photons leading to Amplification with added noise at the quantumlimit.These devices are powered with a simple DC voltage used to biased the Josephson junction. Such devices can be a new solution in a frequencies range where only few simple alternative solutions are now available.We have studied our devices with two theories, P-theory and input output theory, to derive working characteristics of our devices : Photon rate, gain, noise, bandwidth, compression point. The measured samples are made of niobium nitride and the electromagnetic environment of the junction is engineered to fulfil our needs. The possibility to select the photonic processes at will by engineering the electromagnetic environment permits to imagine further devices: other types of sources, wideband amplifiers, photon detectors.
La photonique Josephson est un domaine récent de la physique à la croisée entre l’électrodynamique quantique en circuit et le blocage de Coulomb dynamique. Elle explique et étudie la possibilité pour une paire de Cooper de traverser une jonction Josephson polarisée en tension par effet tunnel inélastique, en dissipant la différence de potentiel électrique aux bornes de la jonction sous forme de photons émis dans l’environnement électromagnétique de la jonction.Cette thèse s’arrête sur deux aspects de la photonique Josephson:• La possibilité de contrôler la statistique des photons émis dans l’environnement, en particulier Générer des photons non-classiques;• La possibilité de stimuler l’émission de photons, ce qui permet d’Amplifier avec un bruit ajouté à la limite quantique.Pour fonctionner ces dispositifs ne demandent qu’une simple tension continue servant à polariser la jonction Josephson. A terme ces dispositifs pourraient simplifier certaines mesures quantiques en remplaçant avantageusement des dispositifs micro-ondes existants plus difficiles à utiliser.Nous avons étudié nos dispositifs avec deux théories, la théorie P(E) et celle liant les flux de photons entrant et sortant, pour en tirer les caractéristiques de fonctionnement de nos dispositifs : taux d’émission, gain, bruit, bande passante, point de compression. Les dispositifs expérimentaux mesurés sont réalisés en nitrure de niobium en créant un environnement électromagnétique répondant à nos besoins. La possibilité de contrôler les processus photoniques que l’on veut en réalisant l’environnement électromagnétique adapté laisse la porte ouverte à de futures dispositifs : divers sources non-classiques, amplificateurs large bande, détecteurs de photons.
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Dates and versions

tel-02183224 , version 1 (15-07-2019)

Identifiers

  • HAL Id : tel-02183224 , version 1

Cite

Florian Blanchet. Josephson photonics : microwave generation & amplification in the quantum regime. Condensed Matter [cond-mat]. Université Grenoble Alpes, 2018. English. ⟨NNT : 2018GREAY078⟩. ⟨tel-02183224⟩
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