CNRS La lettre innovation

Un grand nombre de technologies quantiques reposent sur la détection de signaux micro-ondes de faibles amplitudes, à de très basses températures (de l'ordre du mK). Pour parvenir à les mesurer, ces signaux doivent être d'abord amplifiés, avec un gain suffisant, mais sans pour autant engendrer un bruit de fond qui perturbe la mesure.

Une équipe de l'Institut Néel a développé un circuit amplificateur qui réalise ces performances, avec deux atouts majeurs : sa fabrication est relativement simple (deux étapes de lithographie suffisent) et elle est compatible avec les technologies standard de micro-électronique. L'amplificateur pourrait ainsi être intégré sur une même puce avec un qubit², afin de permettre sa lecture.

Ce nouvel amplificateur³, qui a fait l'objet d'un dépôt de brevet⁴, peut aussi améliorer la sensibilité de détecteurs de micro-ondes dans d'autres dispositifs : en spectroscopie par résonance de spin électronique, une technique utilisée pour l'étude des matériaux, ou encore en astronomie, pour la détection du fond diffus cosmique.

L'amplificateur de l'Institut Néel est du type amplificateur paramétrique à onde progressive (TWPA, Traveling wave parametric amplifier). Il est fondé sur une technologie d'électronique supraconductrice (des jonctions Josephson⁵), qui a l'avantage de limiter significativement le bruit qui accompagne le signal amplifié. Dans son principe, l'amplification paramétrique à onde progressive consiste à faire interagir le signal micro-ondes avec un autre signal micro-onde, de manière à obtenir un transfert d'énergie qui augmente l'amplitude du signal que l'on veut mesurer. « Le gain et la réduction du niveau de bruit obtenus sont déjà suffisants pour certaines applications, mais nous estimons que cette technologie permettra de gagner encore un facteur deux sur ces deux paramètres », indique Nicolas Roch, chercheur à l'Institut Néel.

L'équipe de l'Institut Néel va donc s'efforcer de repousser encore les limites de performance de son dispositif. Elle envisage aussi d'en proposer une version simple pour des utilisateurs potentiels. Enfin, la prochaine étape clé du développement consistera à réaliser l'intégration sur une seule puce de l'amplificateur TWPA et d'un qubit.

¹ Institut Néel (CNRS)

² En informatique quantique, un qubit, ou bit quantique, est la plus petite unité de stockage d'information. Un qubit peut être réalisé par des dispositifs très divers. Pour ces travaux menés à l'Institut Néel, il s'agit d'un qubit supraconducteur, dans lequel l'information est codée dans le nombre de charges électriques accumulées dans les composants formant le circuit.

³ Photonic-Crystal Josephson Traveling-Wave Parametric Amplifier. Luca Planat, Arpit Ranadive, Rémy Dassonneville, Javier Puertas Martínez, Sébastien Léger, Cécile Naud, Olivier Buisson, Wiebke Hasch-Guichard, Denis M. Basko, and Nicolas Roch. Phys. Rev. X 10, 021021 (2020) – Publié le 28 Avril 2020.

⁴ Brevet FR1901767, en propriété CNRS, déposé le 21/02/2019 (PCT EP2020054025,le 17/02/2020)

⁵ Une jonction Josephson est constituée de deux supraconducteurs séparés par une couche de matériau isolant ou semi-conducteur.