Amplificatore parametrico a superconduttore per la metrologia quantistica con fotoni a microonde

"Measure what is measurable and make measurable what is not so", this is one of the warnings that Galileo Galilei, commonly considered the father of the modern science, was used to issue to his students, well understanding the importance of a quantitative description of the observed physical events. From the second half of XVIth to our days the science has taken giant leaps but, during all his progress, it has always been accompanied by the constant development of the science of measurement. The measure of a physical quantity and of its own uncertainty remains, still today, the only way to validate or disprove a prediction. We live in a historical period that, from a scientific point of view, can be considered the age of the second quantum revolution, in which the main quantum properties of matter are starting to be used for practical applications. Nowadays, to "make measurable what is not so", metrology can't just rely on classical devices but has to develop a new category of devices, the so-called quantum devices, that exploit quantum phenomena as well (e.g. quantum superposition, tunneling and entanglement). One of the most emerging branches in quantum metrology is the one that exploits the microwave quantum optics to enable "non-demolition" single-photon detection and manipulation in the microwave regime. This kind of measures will be essential in the near future, cause the fast growing of quantum computation, quantum cryptography and quantum sensing sciences. The thesis activity reported in this document took place in INRiM sited in Torino, in the context of the first of the three years European project EMPIR-Parawave. Overall purpose of this project is to develop a novel broadband cryogenic microwave amplifier capable of operation at and beyond the standard quantum limit of sensitivity. This amplifier, commonly named Josephson Travelling Wave Parametric Ampli?er (JTWPA), exploits the second-order nonlinearity of a serial array of RF-SQUIDs (superconductive loops interrupted by a Josephson junction), embedded in a superconducting transmission line and biased with an external magnetic flux, in order to amplify a microwave signal through a Parametric Downconversion process. Such a platform is suitable for several uses in the metrological field as microwave power metrology, photodetectors' calibration and, coupled with other nanostructured devices as Single Electron Transistors, for a practical realization of the current unit. Starting from the theoretical model, developed by A.B. Zorin (PTB) in 2016, one possible realization of this amplifier, compatible with INRiM's nanofabrication facilities, has been proposed and developed. In Chapter I the physical working principle of amplification will be presented. In Chapter II a detailed description of the fabrication and characterization methods used during the activity will be presented. In the first section of Chapter III an optimized design flow that includes graphical design, electron beam lithography and thin film deposition and oxidation processes for the amplifier realization will be discussed. Instead, in the second section some preliminary cryogenic electrical measurements (T < 300 mK) will be presented, in particular the relationship between the oxidation procedure of the Josephson junctions and their critical currents will be investigated. Lastly, in Chapter V some future perspectives within the project and the microwave quantum optics field will be discussed.

¿Misurate ciò che è misurabile e rendete misurabile ciò che non lo è", questo è uno dei moniti che Galileo Galilei, comunemente considerato il padre della scienza moderna, era solito lanciare a suoi studenti, consapevole dell'importanza di dare una descrizione quantitativa ai fenomeni fisici osservati. Dalla seconda metà del XVI secolo ad oggi la scienza ha compiuto passi da giganti ed è stata accompagnata da un costante sviluppo della scienza delle misure. La misura di una quantità fisica e della sua incertezza rimane, ancora oggi, l'unico modo per validare o confutare una predizione. Viviamo in un periodo storico che, da un punto di vista scientifico, può essere considerato come l'era della seconda rivoluzione quantistica, nella quale alcune proprietà quantistiche della materia vengono impiegate per applicazioni pratiche. Oggigiorno per "rendere misurabile ciò che non lo è", la metrologia non può affidarsi solamente a dispositivi classici ma deve sviluppare una nuova categoria di dispositivi quantistici, che sfruttano fenomeni come la sovrapposizione di stati, l'effetto tunnel e l'entanglement. Uno dei rami emergenti nell'ambito della metrologia quantistica è quello che sfrutta l'ottica quantistica a microonde per compiere, in maniera "non distruttiva", rivelazione e manipolazione di singoli fotoni in questo regime. L'attività di tesi riportata in questo elaborato si è svolta presso l'Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica di Torino, nel contesto del primo anno di attività del progetto triennale EMPIR-ParaWave. Obiettivo del progetto è quello di sviluppare un innovativo amplificatore criogenico a banda larga per le microonde, capace di operare con una sensibilità limitata soltanto dal principio di indeterminazione. Questo amplificatore, conosciuto come Josephson Travelling Wave Parametric Amplifier, sfrutta la non linearità al secondo ordine di una serie di RF-SQUIDs inseriti in una guida d'onda superconduttiva e polarizzati da un campo magnetico esterno per amplificare un segnale a microonde attraverso una Conversione parametrica. Tale dispositivo può essere impiegato in diversi campi della metrologia come per la metrologia di potenza delle microonde, per la calibrazione di detector di singoli fotoni e, quando accoppiato ad altri dispositivi nanostrutturati come i Transistor a Singolo Elettrone, per la realizzazione pratica dell'unità di corrente. Partendo dal modello teorico sviluppato nel 2016 da A.B. Zorin (PTB), durante l'attività è stata proposta e sviluppata una possibile realizzazione di questo amplificatore, compatibile con gli strumenti di nanofabbricazione disponibili presso l'INRiM. Nel Capitolo I verranno presentati i principi fisici alla base dell'amplificazione, mentre nel Capitolo II i metodi di fabbricazione e caratterizzazione usati. Nella prima sezione del Capitolo III verrà presentato un protocollo di fabbricazione ottimizzato che include una fase di progettazione grafica, una di litografia a fascio elettronico e una di evaporazione e ossidazione di film sottili. Nella seconda parte di questo capitolo saranno invece presentate alcune misure elettriche preliminari svolte a temperature criogeniche (T < 300mK). In particolare verrà investigata la relazione esistente tra l'ossidazione delle giunzioni Josephson e le loro correnti critiche. Infine nel Capitolo IV verranno fatte alcune considerazioni sulle prospettive future del progetto e dell'ottica quantistica a microonde.