Photons en interaction sur un réseau de résonateurs supraconducteurs non-linéaires

par Gianluca Aiello

Projet de thèse en Physique

Sous la direction de Marco Aprili et de Julien Gabelli.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Physique en Île-de-France (Paris) , en partenariat avec Laboratoire de Physique des Solides (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-09-2016 .


  • Résumé

    L'idée d'utiliser des photons piégés sur un réseau de cavités pour simuler la physique décrite par le modèle de Bose-Hubbard devrait permettre l'observation d'états fortement corrélés de la lumière non encore observés. Les circuits supraconducteurs constituent une plateforme idéale pour la réalisation d'un tel simulateur. En effet, les développements récents de l'électrodynamique quantique sur circuit permettent la réalisation de cavités micro-ondes de très grand facteur de qualité qui, couplées à des jonctions Josephson, deviennent non-linéaires et induisent une interaction effective entre les photons. Cette technologie est à l'origine de résultats expérimentaux remarquables en optique quantique tels que la création de sources de photon unique ou d'états de Fock complexes. La réalisation d'un réseau de cavités non-linéaires s'annonce cependant plus délicate en raison de l'inhomogénéité des jonctions réparties sur un réseau de grande taille (plusieurs mm). Une alternative à ce problème consiste à tirer parti de la non-linéarité intrinsèque au film supraconducteur réalisant les jonctions : l'inductance cinétique. Il est donc impératif de choisir un matériau supraconducteur possédant une forte inductance cinétique et dont la synthèse est suffisamment maîtrisée pour satisfaire au critère d'homogénéité. Notre choix s'est porté sur le niobium silicium (NbSi) qui, déposé en couche mince, est un supraconducteur fortement désordonné de grande inductance cinétique. Le projet de thèse de Gianluca Aiello, mené en partenariat avec le groupe « détecteurs cryogéniques » du CSNSM, consiste en la réalisation et la caractérisation de résonateurs supraconducteurs non-linéaires à base de NbSi. Le groupe du CSNSM, possède une expertise mondiale dans l'étude de la transition supra-isolant et la réalisation de couches minces de NbSi. Leur savoir-faire devrait permettre à Gianluca d'optimiser la non-linéarité des résonateurs tout en conservant leur grand facteur de qualité. Après cette première étape d'optimisation, il pourra aborder la réalisation d'un réseau de cavité non linéaire et s'attaquer à l'observation de nouveaux états quantiques de la lumière tel que le gaz de Tonks-Girardeau.

  • Titre traduit

    Interacting Photons in Arrays of Kinetic Inductance Superconducting Resonators


  • Résumé

    Recently, it has been pointed out that photons trapped in cavity arrays could be used to simulate the behavior of interacting bosons on a lattice, as described by the Bose-Hubbard model. In this emerging field of "quantum fluids of light" on a lattice, superconducting circuits appear as a very promising technology to explore. In order to simulate the interaction between microwave photons, the non-linear element of choice is the Josephson junction. However, this approach is technically challenging because it requires the realization of homogeneous arrays of junctions over large areas. As an alternative, we propose to explore the possibilities offered by a different type of non-linearity intrinsic to superconducting systems, namely the kinetic inductance of the superconductor forming the resonator itself. Here, we will focus on a NbSi, whose properties have been studied for many years in the Cryogenic Detector Group at the CSNSM. Our goal will be to refine our understanding of the frequency and temperature dependence of the electrodynamics of thin NbSi films, which has been an ongoing collaboration between our two groups for many years. In parallel, we will develop lattices of NbSi resonators, using the technology developed at CSNSM for the realizations of Kinetic Inductance Detectors. The goals of the project will be twofold, we will optimize the material properties to maximize the non-linearity of the inductance while keeping a high quality factor. At the same time, we will progress towards the realization and the understanding of non-linear lattices for microwave photons.