Graphene-based superconducting quantum circuits : the Josephson parametric amplifier

Les circuits quantiques supraconducteurs, comprenant un large éventail d’éléments, ont contribué à des avancées majeures dans le domaine de l’optique quantique micro-onde. Parmi ces éléments, les amplificateurs paramétriques atteignant la limite quantique ont démontré leur importance dans la mesure de systèmes quantiques dont l’énergie est intrinsèquement basse (dizaines d’µeV). Ils peuvent aussi servir à créer des états non-classiques de lumière qui peuvent être utilisés pour créer des détecteurs innovants. Les amplificateurs paramétriques supraconducteurs, tout comme les qubits, utilisent la plupart du temps une jonction Josephson comme source de nonlinéarité non dissipative et contrôlable en champ magnétique. Le contrôle en champ magnétique n’est pas la norme dans l’industrie et commence déjà à être un problème dans les circuits comprenant beaucoup d’éléments. Ces dernières années, un concept alternatif a émergé avec l’utilisation de jonctions Josephson faites à base de semiconducteurs afin d’avoir un contrôle électrique de la nonlinéarité, notamment avec la démonstration de résonateurs micro-ondes et de qubits utilisant des nanofils semiconducteurs, un gaz d’électrons 2D, des nanotubes de carbone ainsi que du graphène. Cependant, les amplificateurs paramétriques n’ont pas encore été réalisés en utilisant une jonction semiconductrice. Le travail présenté dans ce manuscrit de thèse de doctorat montre la conception, la fabrication et les performances d’un amplificateur paramétrique utilisant une jonction Josephson à base de graphène.Le graphène est encapsulé entre deux couches de hBN afin d’augmenter sa qualité. En utilisant une telle jonction, nous réalisons une amplification avec un gain de 20 dB qui est un jalon important pour que le bruit ajouté par les amplificateurs classiques du reste de la chaine d’amplification soit négligeable. L’amplificateur paramétrique étant construit à partir d’une structure résonante (autour de 6 GHz), il ne peut qu’amplifier une bande de fréquence réduite de l’ordre de quelques Mégahertz. L’utilisation d’une grille latérale permet de contrôler le graphène électriquement modifiant l’inductance de la jonction Josephson et ainsi la fréquence de résonance de l’amplificateur. Nous démontrons la possibilité d’ajuster la fréquence d’amplification sur un intervalle de l’ordre d’un Gigahertz grâce à cette grille latérale, ce qui est comparable en terme d’ajustabilité à l’utilisation d’un SQUID contrôlé en champ magnétique pour un circuit similaire. Par ailleurs, il a été montré que le graphène possède des pertes nonlinéaires lorsqu’il est exposé à un champ micro-onde important à cause d’excitations / désexcitation d’états d’Andreev. La dissipation est synonyme d’une augmentation du bruit intrinsèque ajouté par les amplificateurs paramétriques et peut donc être un problème pour atteindre la limite quantique. Nous démontrons que malgré la présence de pertes nonlinéaires, l’amplificateur paramétrique à base de graphène se rapproche de la limite quantique. Un modèle de pertes à deux photons est utilisé pour décrire le comportement du dispositif mais nous démontrons qu’un modèle plus complet est nécessaire afin de prendre en compte la nature complexe de la dissipation ainsi que la relation courant phase non sinusoïdale. Nous avons également étudié la plage dynamique et montrons que l’amplificateur paramétrique à base de graphene peut atteindre un point de compression à 1dB de -123 dBm, ce qui comparable à ce qui peut être obtenu avec une jonction tunnel unique. Nos résultats élargissent l’ensemble des éléments existant pour le contrôle électrique des circuits quantiques supraconducteurs et offrent de nouvelles opportunités pour le développement de technologies quantiques comme l’informatique quantique, la détection quantique ainsi que la science fondamentale.With a large portfolio of elemental quantum components, superconducting quantum circuits have contributed to dramatic advances in microwave quantum optics. Of these elements, quantum-limited parametric amplifiers have proven to be essential for low noise readout of quantum systems whose energy range is intrinsically low (tens of µeV). They are also used to generate non classical states of light that can be a resource for quantum enhanced detection. Superconducting parametric amplifiers, like quantum bits, typically utilize a Josephson junction as a source of magnetically tunable and dissipation-free nonlinearity. The magnetic control is not an industry standard for devices and starts already to be an issue in large scale circuits. In recent years, efforts have been made to introduce semiconductor weak links as electrically tunable nonlinear elements, with demonstrations of microwave resonators and quantum bits using semiconductor nanowires, a two dimensional electron gas, carbon nanotubes and graphene. However, given the challenge of balancing nonlinearity, dissipation, participation, and energy scale, parametric amplifiers have not yet been implemented with a semiconductor weak link. The work presented in this PhD thesis demonstrates the design, fabrication and performances of a parametric amplifier leveraging a graphene Josephson junction.The graphene is encapsulated in between hBN flakes in order to improve its quality. Using such high quality junctions, we demonstrate amplification with 20 dB gain which is the milestone for overcoming noise of the classical amplifiers in the rest of the amplification chain. The Josephson parametric amplifier being based on a resonant structure (around 6 GHz) suffers from the gain bandwidth product limiting the amplification to a few MegaHertz frequency range. The use of a side gate to electrically tune the graphene gives control of the Josephson junction inductance and thus the resonant frequency of the amplifier. We demonstrate a near 1 GHz tunability of the amplification frequency with the use of a side gate which is as good as the tunability offered by using a magnetic flux on a SQUID for similar amplifier designs. Moreover, graphene has shown to exhibit nonlinear loss under a strong microwave irradiation arising because of dynamics in the Andreev states. Dissipation is known to add intrinsic noise on quantum amplifiers and could be a problem for quantum limited parametric amplification. We demonstrate that despite the presence of nonlinear loss, graphene based Josephson parametric amplifiers can reach near quantum limited amplification. A two photon loss model was used to describe the behaviour of the device but we show that a more complex model is required in order to take into account the nonlinear dissipation and the non-sinusoidal current phase relation. We also studied the dynamic range and showed that the graphene based Josephson parametric amplifier can reach a 1 dB compression point of -123 dBm which is as good as single tunnel junctions based parametric amplifiers. Our results expand the toolset for electrically tunable superconducting quantum circuits and offer new opportunities for the development of quantum technologies such as quantum computing, quantum sensing and fundamental science