Thèse Année : 2024

Mediating high-order photon-photon interactions by Cooper-pair pairing

Interactions photoniques d'ordre élevé induites par appariement de paires de Cooper

Résumé

Inducing interactions between individual photons is essential for applications in photonic quantum information processingand fundamental research on many-body photon states. A field that is well suited to combine strong interactions and low lossesis microwave quantum optics with superconducting circuits. Photons are typically stored in an LC circuit, and interactionsappear when the circuit is shunted by a Josephson tunnel junction. Importantly, the zero-point fluctuations of the superconductingphase across the junction control the strength and order of the induced interactions.Superconducting circuits have almost exclusively operated in the regime where phase fluctuations aresmaller than unity, and two-photon interactions, known as the Kerr effect, dominate. In this experiment,we shunt a high-impedance LC oscillator by a dipole that only allows pairs of Cooper pairs to tunnel.Phase fluctuations, which are effectively doubled by this pairing, reach the value of 3.4. In this regimeof extreme fluctuations, we observe transition frequencies that shift non-monotonically as we climb the anharmonic ladder.From this spectroscopic measurement, we extract two-, three- and four-photon interaction energies ofcomparable amplitude, and all exceeding the photon loss rate. This work explores a new regime of high-order photoninteractions in microwave quantum optics, with applications ranging from multi-photon quantum logic to the study ofhighly correlated microwave radiation.

Induire des interactions entre des photons individuels est essentiel pour les applications en traitement de l'information quantique photonique et la recherche fondamentale sur les états de photons à plusieurs corps. Un domaine qui convient bien pour combiner des interactions fortes et de faibles pertes est l'optique quantique micro-onde avec des circuits supraconducteurs. Les photons sont généralement stockés dans un circuit LC, et les interactions apparaissent lorsque le circuit est court-circuité par une jonction tunnel de Josephson. Importamment, les fluctuations du point zéro de la phase supraconductrice à travers la jonction contrôlent la force et l'ordre des interactions induites. Les circuits supraconducteurs ont presque exclusivement fonctionné dans le régime où les fluctuations de phase sont plus petites que l'unité, et les interactions à deux photons, connues sous le nom d'effet Kerr, dominent. Dans cette expérience, nous court-circuitons un oscillateur LC à haute impédance par un dipôle qui ne permet que des paires de paires de Cooper de se tunnelliser. Les fluctuations de phase, qui sont effectivement doublées par ce couplage, atteignent la valeur de 3.4. Dans ce régime de fluctuations extrêmes, nous observons des fréquences de transition qui se déplacent de manière non monotone à mesure que nous montons l'échelle anharmonique. À partir de cette mesure spectroscopique, nous extrayons des énergies d'interaction à deux, trois et quatre photons d'amplitude comparable, et toutes dépassent le taux de perte de photon. Ce travail explore un nouveau régime d'interactions de photons d'ordre élevé en optique quantique micro-onde, avec des applications allant de la logique quantique multi-photon à l'étude du rayonnement micro-onde hautement corrélé.

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tel-04901986 , version 1 (18-04-2025)

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  • HAL Id : tel-04901986 , version 1

Citer

Alvise Borgognoni. Mediating high-order photon-photon interactions by Cooper-pair pairing. Physics [physics]. Université Paris sciences et lettres, 2024. English. ⟨NNT : 2024UPSLM055⟩. ⟨tel-04901986⟩
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