Du tranpsort électrique quantique à l'optique Quantique: photonique Josephson en régime de couplage fort – JosePhSCharLi

La photonique et l’électronique quantique font partie des champs de la physique qui se développent le plus rapidement, en raison de leur importance pour les communications, le traitement de l’information et la métrologie. Deux quantums sont au cœur de ces deux domaines : le photon et les porteurs de charge, dont l’interaction est parfaitement décrite par l’électrodynamique quantique. Néanmoins, ce n’est que récemment qu’a émergé une électrodynamique des conducteurs quantiques, à la rencontre de l’optique quantique et du transport électronique quantique. Ce domaine ouvre des perspectives pour la création et le contrôle de rayonnement micro-onde quantique, via des dispositifs à base de conducteurs quantiques. Les dispositifs supraconducteurs comprenant des jonctions Josephson couplées à des résonateurs micro-onde semblent les plus prometteurs. Ils permettent d’atteindre un régime de couplage fort entre charge et rayonnement, tout en assurant une conversion parfaite de l’énergie électrostatique en rayonnement. Le but de ce projet et d’explorer et d’étendre le potentiel de ces dispositifs, en développant de nouvelles sources de rayonnement non classique, et en explorant le passage entre les régimes de couplage faible et de couplage fort.

Les situations que nous étudieront sont conceptuellement reliées à l’électrodynamique quantique des circuits (CQED), qui est le pendant de l’électrodynamique Quantique en Cavité qui a valu à Haroche et Wineland le prix Nobel de Physique en 2012. Cependant, nous aborderons de nouvelles problématiques en considérant la dynamique du transfert des paires de Cooper et des situations très loin de l’équilibre. La conception de nouveaux dispositifs requiert donc de résoudre une des dernières questions ouvertes de la physique Josephson : celle de la transition du régime de phase, où la différence de phase aux bornes de la jonction est une variable quasi-classique et la charge transférée présente de fortes fluctuations quantiques, au régime de blocage de Coulomb, où la charge transférée est presque un bon nombre quantique.

Plus précisément, nous démontrerons que le flux de paires de Cooper au travers d’une jonction Josephson polarisée par une tension continue peut être exploité pour produire des sources simples et brillantes de rayonnement non classique, ou des amplificateurs dont les performances s’approchent des limites autorisées par la limite quantique. Après avoir validé les concepts sous-jacents dans le domaine hyperfréquence, nous adapterons certains de ces dispositifs au domaine THz. Parallèlement, nous étudierons la transition quantique-classique de la phase aux bornes d’une jonction Josephson, en nous basant en particulier sur notre expertise dans les mesures de bruit électrique, aussi bien à basse fréquence que dans le domaine micro-onde. Nous nous appuierons sur des liens de collaboration solides qui existent entre les deux équipes expérimentales et l’équipe théorique qui composent le consortium.