Ultra-low temperatures microwave optomechanics for quantum sensing - CNRS - Centre national de la recherche scientifique Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Ultra-low temperatures microwave optomechanics for quantum sensing

Optomécanique micro-onde à ultra-basses températures pour la détection quantique

Résumé

Recent advances in observing and exploiting macroscopic mechanical motion at the quantum limit brought opto-mechanical experiments down to always lower temperatures and smaller sizes, boosting a new research area were (more compatible) low energy photons are employed: microwave opto-mechanics. Superconducting microwave circuits are in use and bridge opto-mechanics with quantum electronics, which positions the former as a new resource for quantum information processing. But microwave opto-mechanical platforms provide also unique capabilities for testing quantum mechanics at the most basic level: if one thinks about these devices in terms of quantum-limited detectors, the focus is on the thermodynamic baths that continuously interact with the mechanical degree of freedom. The fundamental questions that are addressed are then quantum thermodynamics, the boundary between classical and quantum mechanics defined by wavefunction collapse, and ultra-low temperature materials properties. In order to perform such experiments at the frontier of modern physics, we created a unique micro-wave/micro-Kelvin opto-mechanical platform. We demonstrate for the first time the passive cooling of a 15 MHz aluminium drumhead mechanical device down to 500 micro-K, reaching a population for the fundamental mode of 0.3 quanta on average; all higher modes being empty to a very high probability. Using microwave opto-mechanics as a non-invasive detector, we report on the in-equilibrium thermal properties of this lowest frequency mode, challenging theory in an unprecedented experimental area.
Les progrès récents dans l'observation et l'exploitation du mouvement mécanique macroscopique à la limite quantique ont poussé les expériences opto-mécaniques à des températures toujours plus basses et à des tailles plus petites, stimulant un nouveau domaine de recherche où des photons de basse énergie (plus compatibles) sont utilisés : l'opto-mécanique micro-onde. Des circuits hyperfréquences supraconducteurs sont utilisés et relient l'opto-mécanique à l'électronique quantique, ce qui positionne la première comme une nouvelle ressource pour le traitement de l'information quantique. Mais les plates-formes opto-mécaniques micro-onde offrent également des capacités uniques pour tester la mécanique quantique au niveau le plus élémentaire : si l'on pense à ces dispositifs en termes de détecteurs à la limite quantique, l'accent est mis sur les bains thermodynamiques qui interagissent en permanence avec le degré de liberté mécanique. Les questions fondamentales abordées sont alors la thermodynamique quantique, la frontière entre la mécanique classique et la mécanique quantique définie par l'effondrement de la fonction d'onde, et les propriétés des matériaux à ultra-basse température. Afin de réaliser de telles expériences à la frontière de la physique moderne, nous avons créé une plate-forme opto-mécanique micro-onde/micro-Kelvin unique. Nous démontrons pour la première fois le refroidissement passif d'un dispositif mécanique en tambour d'aluminium de 15 MHz jusqu'à 500 micro-K, atteignant une population pour le mode fondamental de 0,3 quanta en moyenne ; tous les modes supérieurs étant vides avec une probabilité très élevée. En utilisant l'opto-mécanique micro-onde comme détecteur non invasif, nous rapportons les propriétés thermiques en équilibre de ce mode de fréquence la plus basse, questionnant la théorie quantique dans un domaine expérimental sans précédent.
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Dates et versions

tel-03396741 , version 1 (22-10-2021)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03396741 , version 1

Citer

Dylan Cattiaux. Ultra-low temperatures microwave optomechanics for quantum sensing. Condensed Matter [cond-mat]. Université Grenoble Alpes, 2021. English. ⟨NNT : 2021GRALY003⟩. ⟨tel-03396741⟩

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