Nonlinear quantum optics with Josephson meta-materials

Optique quantique non linéaire avec les méta-matériaux Josephson Les métamatériaux sont des matériaux conçus artificiellement pour présenter des propriétés qui n'existent pas dans les matériaux naturels, grâce à l'ingénierie des éléments constitutifs à des échelles inférieures à la longueur d'onde. Parmi les exemples de ces nouveaux phénomènes optiques, citons l'indice de réfraction négatif, l'occultation et l'imagerie à super-résolution. L'étude des métamatériaux supraconducteurs fonctionnant dans le domaine des micro-ondes a récemment suscité un intérêt significatif dans le cadre des technologies quantiques en raison d'un large éventail d'applications directes, par exemple l'exploration de nouveaux phénomènes d'optique quantique, la détection quantique non destructive, l'amplification à limite quantique, le traitement de l'information quantique et l'éclairage quantique. Contrairement à leurs homologues métalliques et semi-conducteurs normaux, les métamatériaux supraconducteurs offrent certains avantages uniques. Les plus pertinents pour les métamatériaux à jonction Josephson sont les faibles pertes, la quantification du flux et les effets Josephson. L'effet Josephson dans une boucle supraconductrice peut également être exploité pour contrôler plus précisément les non-linéarités du métamatériau.Dans cette thèse, nous présentons des métamatériaux à base de jonction Josephson avec une accordabilité in-situ des non-linéarités de deuxième et troisième ordre (Kerr). Nous avons optimisé les composites à jonction Josephson SNAILs, bien connus dans la communauté des circuits supraconducteurs, pour le cas spécifique d'utilisation de blocs de construction pour un méta-matériau non linéaire à impédance adaptée. Dans de tels dispositifs, la forte non-linéarité du troisième ordre (Kerr) peut être accordée de valeurs positives à négatives. Pour démontrer l'efficacité de ce phénomène, nous avons montré un cas d'utilisation du méta-matériau en tant que TWPA avec un nouveau mécanisme d'adaptation de phase : l'adaptation de phase Kerr inversée, qui utilise l'inversion de signe de la non-linéarité Kerr pour corriger la courbure de dispersion de tels dispositifs due à son plasma fini. Le méta-matériau exploité en tant que TWPA à Kerr inversé présente une bande d'amplification combinée d'une largeur allant jusqu'à 4 GHz avec une accordabilité de bande dynamique de 8 GHz, une saturation de -98 dBm (point de compression de 1 dB) autour d'un gain de 20 dB, et un bruit ajouté à l'amplificateur proche de la limite quantique standard. L'absence d'interruption de la transmission permet d'obtenir une bande d'amplification continue avec des ondulations de gain nettement plus faibles, contrairement aux amplificateurs de puissance à dispersion démontrés précédemment.Nous présentons également la génération d'intrication à l'aide des métamatériaux afin de démontrer leur polyvalence et de souligner davantage leur potentiel dans le cadre général de l'optique quantique non linéaire à micro-ondes. En raison de leur grande largeur de bande, ces dispositifs ont été identifiés comme prometteurs pour la génération d'un écrasement bimode et d'une intrication à large bande. Avec un dispositif optimisé pour la génération d'intrication à large bande, nous avons observé l'intrication entre deux modes séparés jusqu'à 400 MHz. Nous avons mesuré la négativité logarithmique entre 0,27 et 0,51, et le squeezing collectif en quadrature sous la limite du vide entre 1,5 et 2,1 dB. Les résultats de preuve de principe présentés peuvent ouvrir la voie à la mise en œuvre de métamatériaux basés sur la jonction Josephson dans de nouvelles applications, y compris la détection non destructive de photons uniques, la mesure et le contrôle de photons uniques dans la c-QED, l'informatique quantique basée sur les photons, la détection de précision, la détection de la matière noire et l'éclairage quantique.