Electrodynamique quantique des conducteurs – QcED

L'utilisation de circuits supraconducteurs dans le traitement de l'information quantique présente un avantage par rapport aux systèmes atomiques car ils sont facilement contrôlables électroniquement. Combinés aux circuits microondes, ils ont permis aux domaines de l'électronique et de l'optique quantique de se rejoindre. Cependant, que ce soit dans le domaine microonde ou dans le domaine optique, la génération et la détection de photons restent conceptuellement équivalentes: l'état quantique de photon est créé à l'aide d'un système quantique appelé qubit (un atome ou un circuit supraconducteur), et sa mesure se fait à l'aide du même qubit via l'absorption de "quanta d'énergie". Le fait que le qubit soit réalisé à l'aide d'un circuit électrique ne signifie pas que le photon microonde est assimilable au courant microonde parcourant le circuit. Une question inhérente au lien entre l'électronique et l'optique quantique demeure: quelle relation existe-t-il entre les degrés de liberté du conducteur (courant et tension) et ceux du champ électromagnétique (EM)?

Ce projet a pour objectif l'étude de l'électrodynamique des conducteurs quantiques. Il vise à montrer que de tels conducteur pourraient être à la source d'une optique quantique photonique ou plasmonique. En effet, l'électrodynamique quantique de tels systèmes est pilotée par le transport électronique: les fluctuations du courant électrique au sein du conducteur à une fréquence donnée entraînent une émission de photons à la même fréquence. Le problème devient intéressant lorsque les photons émis résultent de la dynamique électronique propre au conducteur et plus particulièrement lorsque cette dynamique est d'origine quantique. Dans les conducteurs quantiques, cette dynamique peut être ainsi reliée au principe d'exclusion de Pauli, aux interactions coulombiennes ou encore à la cohérence de phase des ondes électroniques. Plus généralement , elle est décrite par un opérateur courant Î. L'approche expérimentale qui permet d'étudier le couplage entre Î et le champ EM consiste à observer les photons émis par un conducteur donné. De manière générale, les fréquences associées aux énergies caractéristiques du transport quantique appartiennent au domaine microonde. Puisque les conducteurs quantiques sont des nano-objets métalliques, le transport électronique couplé à la plasmonique, rend le domaine optique également accessible. Ainsi, une question relative à la théorie de la détection quantique se pose, indépendamment de la nature du couplage entre le courant et le champ EM: une mesure électronique microonde est elle équivalente à une mesure de photo-détection?

Au cours des quatre dernières années, Bertrand Reulet et moi avons partiellement répondu à cette question en étudiant les fluctuations microondes du courant électrique dans une jonction tunnel. La mesure du troisième cumulant des fluctuations de courant dans le régime quantique hf >> k_BT a permis de valider une prédiction théorique. Ce projet vise à répondre à cette question dans le domaine optique. En effet, les mesures électriques dans le domaine microonde donnent directement accès à l'amplitude du champ électrique alors que les mesures dans le domaine optique correspondent à un comptage de photons. Par ailleurs, si le couplage entre le conducteur et son environnement microonde est bien contrôlé, le problème devient plus compliqué dans le domaine optique car l'émission de photons via les fluctuations de courant fait intervenir des excitations plasmoniques de surface. Nous aborderons l'ensemble de ces questions en étudiant la statistique des photons émis par le conducteur quantique le plus simple: la jonction tunnel. Nous proposons de mettre en place une mesure de coïncidences entre photons de fréquences différentes, analogue à l'expérience de Hanbury Brown & Twiss.