Détection large bande de micro-ondes au niveau du photon unique

by Romain Albert

Thesis project in Physique de la Matière Condensée et du Rayonnement

Under the supervision of François (phys) Lefloch.

Ongoing thesis at Grenoble Alpes , under the authority of Physique , in a partnership with PHotonique, ELectronique et Ingéniérie QuantiqueS (laboratoire) since 14-10-2016 .

  • Alternative Title

    Wideband detection of microwave single photons


  • Abstract

    The superconducting integrated circuits are a way to do quantum optics experiments using microwave photon instead of visible light and Josephson junction instead of atoms. Theses systems have the advantages of stronger interaction between the electromagnetic field and the junctions compare to the atoms. However no reliable single photon detector in the microwave field exists because of the lower energy of the photons. The goal of this thesis is to develop a single photon detector and quantum limited amplifier using the physics of inelastic Cooper pair tunneling. During the first months, the student will work with Salha Jebari and Dibyendu Hazra which have implemented the component at the foot of the amplification and photon multiplication based on Cooper pair tunneling. Then he will learn the experiments technicality including noise and photons correlation measurements in microwave, as well as the design and fabrication of these circuits in clean room. The first measures will be devoted to gain a better understanding of this physics. After that, he will this tools to design and make new amplifier and photon multiplier in order to measure them. The goal is to build an amplifier with similar performance of the best parametric amplifier known but which is easier to use. The photon multiplier is a completely device which does not yet exist on the microwave domain. If everything work as intended, the association of a photon multiplier and an quantum limited amplifier will allow us to realize a single photon detector on the microwave domain.


  • Abstract

    Les circuits intégrés à base de supraconducteurs permettent de réaliser des expériences d'optique quantique où les micro-ondes remplacent la lumière et les jonctions Josephson les atomes, avec comme avantage que l'interaction entre le champ électromagnétique et les jonctions Josephson peut être bien plus forte. Cependant, la détection des signaux micro-ondes au niveau du photon unique reste à ce jour bien plus difficile dû à la faible énergie des photons. Le but de cette thèse est de développer des détecteurs de photons uniques et des amplificateurs proche de la limite quantique en se basant sur la physique du tunneling inélastique de paires de Cooper. Pendant les premiers mois l'étudiant travaillera avec Salha Jebari et Dibyendu Hazra qui ont mis en place les éléments de base sur l'amplification et photo-multiplication basées sur le tunneling inélastique de paires de Cooper. Il se familiarisera ainsi avec la physique et les techniques en jeu, notamment les mesures de bruit et de corrélation de photons dans le régime micro-ondes et le dessin et la fabrication en salle blanche des circuits supraconducteurs. Les mesures qu'il pourra effectuer au début de thèse serviront à comprendre plus en détail les phénomènes en jeu. Il se servira ensuite de ces éléments pour concevoir et fabriquer des amplificateurs et photo-multiplicateurs et de les mesurer. On s'attend à ce que l'amplificateur peut atteindre des performances au même niveau que les meilleurs amplificateurs paramétriques mais sera plus facile à utiliser. Le photo-multiplicateur est, quant à lui, un dispositif qui n'a pas encore été démontré dans la gamme des fréquences micro-ondes. Si les deux dispositifs fonctionnent comme prévu, cascader un photo-multiplicateur avec un amplificateur proche de la limite quantique, permettra ensuite de réaliser un détecteur de photons micro-ondes uniques.