Résumé :
La détection de photons uniques est depuis longtemps maîtrisée dans le domaine optique, mais demeure un défi aux fréquences microondes. Le développement de détecteurs de photons micro-ondes uniques ouvre de nouvelles perspectives, avec des applications allant de la recherche d’axions aux systèmes quantiques hybrides, jusqu’à l’informatique quantique supraconductrice. Ces dispositifs exploitent l’interaction entre photons itinérants et qubits supraconducteurs pour réaliser une mesure non destructive quantique de l’état du photon — une approche qui se distingue fondamentalement des détecteurs optiques traditionnels, de nature absorptive.
Dans ce travail, nous développons un protocole de détection en cascade permettant de mesurer plusieurs fois l’état d’un photon, en distribuant l’information sur plusieurs qubits. Cette stratégie réduit significativement le bruit local intrinsèque, offrant une amélioration de deux ordres de grandeur de la sensibilité, tout en maintenant une efficacité élevée. Le détecteur que nous proposons repose sur la concaténation cohérente de deux processus de mélange à quatre ondes sur une même puce. Ce schéma garantit une dynamique cohérente quantique et permet d’ajuster dynamiquement la bande passante du détecteur — un atout essentiel pour des environnements soumis au bruit thermique. Nous démontrons une sensibilité intrinsèque de (8 ± 1) × 10−24 W/√Hz at 8.798 GHz, limitée uniquement par le bruit thermique du résonateur d’entrée. Enfin, nous discutons des limitations actuelles et illustrons des avancées récentes.
Mots-clés : Détection de photon microonde, Circuit supraconducteur, Détecteur quantique.
Noise mitigation in single microwave photon counting
Abstract:
Detecting single photons in the optical frequency band is a well-established practice; however, this capability is just emergent at microwave frequencies. Single microwave photon detectors (SMPDs) are instrumental for efficiently detecting weak signals from incoherent emitters, with applications in axion searches, hybrid quantum systems, and superconducting quantum computing. At microwave frequencies, SMPDs rely on superconducting qubits to encode the presence or absence of an itinerant photon. Such quantum interaction provide a quantum non-demolition (QND) measurement of the photon state, in constrast with absorptive optical Single Photon detectors (SPDs).
In this work, we leverage the QND nature of this interaction to repeatedly measure the photon state in a cascaded manner. By encoding the information on multiple qubits, we mitigate the intrinsic local noise of individual qubits, achieving a two-order-of-magnitude reduction in intrinsic detector noise at the cost of a slight reduction in efficiency. The photon detector concatenates two four wave mixing process coherently on a single chip. This scheme ensures fully quantum coherent dynamic of photon detection, enabling dynamical tuning of the detector’s bandwidth — a critical feature for practical use in setups affected by thermal photons. We show how to balance the strengths of the parametric processes to maximize sensitivity and evaluate the core metrics of such a device. We demonstrate an intrinsic sensitivity of (8 ± 1) × 10−24 W/√Hz at 8.798 GHz, with the detector noise entirely dominated by the thermal noise of the input resonator. Current limitations are discussed and addressed in very recent work with a detector at 11.7 GHz.
Keywords: Microwave Photon Detection, Superconducting circuit, Quantum sensor.