Développement d’un amplificateur micro-ondes limité quantiquement basé sur l’effet tunnel inélastique de paires de Cooper

Abstract

La lecture de qubits supraconducteurs nécessite (entre autres) des amplificateurs micro-ondes avec un bruit ajouté aussi près que possible de la limite quantique. Cette limite est maintenant couramment approchée par les amplificateurs paramétriques Josephson (JPAs) et d'autres amplificateurs basés sur les jonctions Josephson. Néanmoins, la génération, le routage et le filtrage de la forte pompe micro-ondes les alimentant nécessitent une importante quantité d'équipement additionnel et peut affecter le dispositif sous test. En revanche, les amplificateurs alimentés par courant continu tel que les transistors à haute mobilité d'électrons (HEMT) sont beaucoup plus simples à utiliser, mais ont jusqu'à maintenant échoué à approcher la limite quantique puisqu'ils ne peuvent être représentés par un schéma d'amplification paramétrique avec un mode \textit{idler} clairement identifié.

Nous avons réussi à faire exactement cela avec l'amplificateur basé sur l'effet tunnel inélastique de paires de Cooper (ICTA, de l'anglais \textit{Inelastic Cooper pair Tunneling Amplifier}). Celui-ci est basé sur une jonction Josephson polarisée en tension couplée à un environnement électromagnétique, où l'énergie $2eV$ d'une paire de Cooper traversant par effet tunnel joue le rôle d'un photon pompe. Alimenté seulement par courant continu, il peut fonctionner avec un bruit en dessous de 2 fois la limite quantique.

On commence par discuter des travaux ayant mené à la réalisation de l'ICTA, puis on étudie ses aspects théoriques dans deux régimes: à faible signal à amplifier et à fort signal. On détaille ensuite le montage expérimental et ses défis particuliers. Par la suite, on présente des résultats expérimentaux quant à l'influence de l'énergie Josepshon et de la puissance sur la dynamique en fréquence des processus d'amplification. On caractérise alors notamment le gain, bruit et bande passante pour différentes configurations de bruit de tension et d'énergie Josephson. Finalement, on étudie l'évolution du gain, de son maximum en fréquence ainsi que la bande passante lorsque l'on varie la puissance. Avec un faible bruit de tension, nous montrons qu'il est possible d'avoir plus de 20\,dB de gain tout en ayant un bruit en dessous de 2 fois la limite quantique, avec un point de compression à 1\,dB à -134\,dBm et une bande passante supérieure à 10\,MHz.