Univ. Paris-Saclay

Service de Physique de l'Etat Condensé

11 juillet 2019
Produire des photons dégroupés avec une tension continue
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Les sources de photons uniques sont utiles pour des applications allant de la métrologie au traitement quantique de l'information. La difficulté de réaliser de telles sources provient de la nature grégaire des photons, qui obéissent à la statistique de Bose-Einstein et ont plutôt tendance à être émis par paquets. Les photons uniques sont généralement obtenus par excitation pulsée d’une transition entre deux niveaux d’énergie d'un système quantique non linéaire. Cette non linéarité permet en effet d’exciter de façon sélective une transition donnée du système quantique, qui relaxe alors en émettant un seul photon. Dans une expérience récente [1], c’est une tout autre stratégie que nous avons exploitée : une simple tension dc polarise continument une jonction Josephson (mince barrière isolante séparant deux électrodes supraconductrices) en série avec un résonateur LC linéaire de haute impédance. Pour une tension de polarisation bien choisie, le circuit produit un photon dans le résonateur pour chaque paire d’électrons (paire de Cooper) passée à travers la jonction. La présence d’un photon bloque en retour le passage de la paire suivante et la production d’un nouveau photon (voir figure 1). Idéalement, les photons sortent alors du résonateur un par un. Pour que ce nouveau type de blocage soit efficace, il faut que l’impédance du résonateur soit proche du quantum de résistance supraconducteur   . Pour des impédances de cet ordre de grandeur, on atteint un régime inédit de couplage fort entre matière et rayonnement. La difficulté technique vient du fait que l’échelle naturelle de l’impédance d’un mode électromagnétique est une fraction de l’impédance électromagnétique du vide . Pour dépasser cette limitation, nous avons développé des résonateurs reposant sur une inductance spirale microfabriquée on-chip  (voir figure 2), et avons atteint une impédance de 2 kΩ.

 
Produire des photons dégroupés avec une tension continue

Figure 1 Principe de l'expérience: a) Une Jonction Josephson est placée en série avec un résonateur de fréquence nR et d’impédance caractéristique ZC de l’ordre de RQ=h/4e2=6,4 kΩ. La jonction polarisée en tension de sorte que le passage par effet tunnel d’une paire de Cooper produise un photon dans le résonateur qui fuit ensuite dans un circuit de détection non représenté. (b) Emission de photons: le passage par effet tunnel d’une paire de Cooper modifie la charge portée par le condensateur du résonateur de 2e. Si celui-ci se trouve dans un état à N photons, le taux de passage tunnel des paires de Cooper est proportionnel au recouvrement entre la fonction d'onde de l’état à N photons, décalée de 2e, avec celle à N + 1 photons. (c ) Ce recouvrement s’annule pour une valeur critique de ZC=4,1 kΩ. La présence d’un photon dans le résonateur bloque alors le passage d’une paire de Cooper, si bien que les photons fuient dans le circuit de détection un à un.

 

Dans l’expérience, pour un taux d’émission de 60 millions de photons par seconde, nous avons mesuré un dégroupage partiel des photons, caractérisé par une probabilité de détecter simultanément deux photons à la sortie du résonateur réduite d'un facteur 3 par rapport à une source classique ayant le même flux de photon. Le mécanisme mis en évidence devrait permettre d'atteindre un dégroupage parfait en ajustant les paramètres du circuit, par exemple en fabriquant le même type d’échantillon sur une membrane de SiN de façon à réduire la capacité. Il pourra aussi être exploité pour créer des paires uniques de photons intriqués, ou même pour stabiliser un état quantique avec exactement un photon dans le résonateur. Au-delà de la génération de ces états non classiques de la lumière, le régime de couplage fort que nous avons atteint présente un intérêt pour la simulation quantique avec des circuits électriques :  en couplant de tels résonateurs avec un conducteur quantique normal, on émule les propriétés de transport de système de fermions en interactions.  

 
Produire des photons dégroupés avec une tension continue

 Figure 2 Photographie de l’échantillon vu au microscope optique. Une inductance spirale microfabriquée relie un SQUID (visible dans l’encart en haut à gauche) qui fait office de jonction Josephson réglable en flux à un circuit permettant de polariser la jonction en tension et de collecter les photons émis. La géométrie spirale permet d’augmenter l’inductance du mode tout en limitant sa capacité.

 

[1] C. Rolland, A. Peugeot et al., Phys. Rev. Lett. 122, 186804, 2019.

 

Maj : 12/07/2019 (3130)

 

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