DARKWADOR — Détecteur de photon micro-onde unique à très bas bruit de comptage

La détection de photon unique est une ressource essentielle pour la détection à la limite quantique et une technologie clé pour le calcul quantique basé sur la mesure. Alors que la détection de photons aux fréquences optiques repose sur l'ionisation photo-assistée de divers matériaux (semiconducteurs, supraconducteurs), les photons micro-ondes ont des énergies inférieures de 5 ordres de grandeur aux photons optiques et sont donc inefficaces pour déclencher des phénomènes mesurables aux échelles macroscopiques. Nous proposons ici l’exploration d’un nouveau type d’interaction entre un système à deux niveaux unique (qubit) et un résonateur à micro-ondes. Ces deux systèmes quantiques au lieu d'interagir de manière cohérente, partagent un mécanisme de dissipation irréversible commun vers un bain froid: le qubit saute de manière irréversible vers son état excité si et seulement si un photon entre dans le résonateur. Nous allons exploiter ce mécanisme de dissipation hautement corrélé pour détecter les photons itinérants entrant dans le résonateur. Ce schéma ne nécessite aucune connaissance préalable de la forme du paquet d'onde du photon ni de son temps d'arrivée, et les mécanismes de décohérence dominants ne déclenchent pas de détection parasite (bruit d'obscurité). Nous proposons ici le développement d'un détecteur de photons pratique basé sur l'ingénierie de dissipation dont les performances approcheront celles des détecteurs optiques à l'état de l'art, à la fois en termes d'efficacité et de comptage d'obscurité. Nous explorerons trois directions afin de combler le fossé entre les technologies optiques et micro-ondes: Tout d'abord, nous allons développer une conception de circuits micro-ondes de pointe et amener la nanofabrication de circuits réalisés au laboratoire à son meilleur niveau. Deuxièmement, nous explorerons une caractéristique clé du schéma dissipatif, à savoir la possibilité de mesurer de manière continue l’état du détecteur (clic / pas de clic) pendant son fonctionnement. Associé à une rétroaction en temps réel, il permettra un chronométrage précis des arrivées de photons et une efficacité de détection optimale rendue possible par l’initialisation rapide du détecteur. Enfin, nous explorerons les idées introduites par les codes de correction d’erreur quantique. Nous proposons d’incorporer une détection d’erreur quantique contre le bruit d'obscurité au sein du schéma dissipatif lui-même. Cela permettrait une réduction spectaculaire des événements de fausse détection. En effet, ce facteur de mérite clé pour les détecteurs de photons capture l'essentiel des performances du dispositif en termes de bruit et de sensibilité. Cette proposition établie l'ingenierie de dissipation comme une ressource clé pour une nouvelle classe de détecteurs micro-ondes à très faible bruit, ouvrant la voie à des applications de pointe telles que la résonance paramagnétique électronique ultra-sensible, la recherche d'axions dans le domaine micro-ondes ou les architectures de calcul quantique modulaire.