Théorie unifiée hors équilibre de la génération et de détection de rayonnement quantique dans l'effet Hall quantique et les circuits de jonctions Josephson // Unified non-equilibrium theory of generating and sensing quantum radiation in quantum Hall and J

**WP1 : Radar quantique à électron unique et rayonnement quantique**
WP1 vise le développement théorique d'un radar quantique à électron unique pour sonder le rayonnement quantique non stationnaire dans des conducteurs mésoscopiques, s'appuyant sur l'optique quantique électronique et la cohérence des états de bord chiraux de l'effet Hall quantique.
Les interactions de Coulomb entre canaux de bord génèrent des modes plasmoniques collectifs, vecteurs naturels du rayonnement quantique. L'approche de la matrice de diffusion plasmonique [6] fournit une description unifiée des excitations individuelles et collectives. Dans le cadre de la théorie perturbative unifiée hors équilibre (UNEP) [1,2], nous analyserons les corrélateurs de courant à fréquence finie et exploiterons les relations universelles avec le courant DC et les excitations AC pour optimiser la génération d'états plasmoniques comprimés. Un point quantique ponctuel (QPC) piloté par des tensions dépendantes du temps agit comme source quantique non linéaire.

Les cavités plasmoniques formées par des états de bord isolés [4] permet de renforcer les interactions et de façonner les propriétés spectrales et temporelles du rayonnement. Le QPC assure un couplage non linéaire entre excitations individuelles et modes de cavité. Le rayonnement sera sondé via le concept de radar quantique [3,4], basé sur un interféromètre à électron unique. Les interactions induisent un désphasage par échanges d'énergie inélastiques, et la moyenne et bruit de courant interférométriques à fréquence finie à la sortie sont relies aux propriétés du champ électromagnétique.

L'objectif est d'identifier des signatures expérimentales accessibles du rayonnement quantique et de la compression dans ces observables interférométriques et de déterminer les limites de sensibilité des sondes à électron unique.

**WP2 : Rayonnement micro-onde non classique dans les circuits à jonctions Josephson dissipatifs**
Ces circuits génèrent du rayonnement micro-onde non classique grâce à leur non-linéarité et à leur couplage aux environnements électromagnétiques. Des travaux récents ont montré la génération de rayonnement micro-onde comprimé et corrélé dans des dispositifs paramétriquement stimulés [9] et des sources à large bande comme les amplificateurs paramétriques à onde voyageuse Josephson [10].

Contrairement aux approches paramétriques, WP2 cible des régimes fortement hors équilibre, où dynamique de charge, dissipation et émission de rayonnement sont liées. L'objectif est de développer un cadre théorique basé sur UNEP [1,2] pour caractériser le rayonnement micro-onde comprimé et corrélé, traitant la dissipation comme ingrédient physique clé.

Les jonctions Josephson seront considérées dans des environnements dissipatifs ohmiques ou structurés, stimulées hors équilibre par biais DC et AC combinés. La théorie UNEP permettra de dériver des observables à fréquence finie, incluant spectres de bruit et quadratures du champ électromagnétique. Une analyse complémentaire des régimes où cette théorie perturbative échoue, par analogie avec les modèles bosonisés [8], sera réalisée.

WP2 étudiera comment la dissipation modifie le rayonnement quantique, explorant les régimes où elle supprime ou favorise la cohérence et la compression, stabilisant le rayonnement via relaxation et verrouillage de phase. Cette étude produira un diagramme de phase en fonction de l'impédance, la température et les conditions de stimulation.

Les développements s'appuient sur l'expertise d'Aleksander Latyshev et Benoît Douçot dans les circuits Josephson et le transport non perturbatif, notamment l'effet 'drag' de Coulomb médié par cotunneling de fluxons et paires de Cooper [10–12], un point de départ pour aborder les régimes où tunnel collectif et forte dissipation produisent du rayonnement non classique. Les résultats fourniront des prédictions pour les mesures micro-ondes de compression dans les circuits supraconducteurs dissipatifs.
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**WP1: Single-Electron Quantum Radar and Quantum Radiation**
WP1 develops a theoretical single-electron quantum radar to sense non-stationary quantum radiation in mesoscopic conductors, based on electron quantum optics and the coherence of chiral quantum Hall edge states.

Coulomb interactions between edge channels generate collective plasmonic modes, natural carriers of quantum radiation. The plasmon scattering matrix approach [6] provides a unified description of single-electron and collective excitations. Within the Unified Non-Equilibrium Perturbative (UNEP) framework [1,2], we will analyze finite-frequency current correlators and exploit universal relations with DC current and AC drives to optimize squeezed plasmonic states. A quantum point contact (QPC) driven by time-dependent voltages acts as a nonlinear quantum source.

Plasmonic cavities formed by isolated edge states [4] enhance interactions and shape the spectral and temporal properties of radiation. The QPC enables nonlinear coupling between single-electron excitations and cavity modes. Radiation will be sensed using the quantum radar concept [3,4], based on a single-electron interferometer. Interactions induce dephasing via inelastic energy exchange, linking finite-frequency interferometric current and noise to the electromagnetic field.

The goal is to identify experimentally accessible signatures of quantum radiation and squeezing in interferometric observables and determine the ultimate sensitivity limits of single-electron probes.

**WP2: Nonclassical Microwave Radiation in Dissipative Josephson Junction Circuits**
These circuits generate nonclassical microwave radiation due to intrinsic nonlinearity and strong coupling to electromagnetic environments. Recent studies showed squeezed and correlated microwave emission in parametrically driven devices [9] and broadband sources such as Josephson traveling-wave parametric amplifiers [10].

WP2 focuses on strongly non-equilibrium regimes where charge dynamics, dissipation, and radiation emission are coupled. The goal is to develop a UNEP-based framework [1,2] to characterize squeezed and correlated microwave radiation, treating dissipation as a key physical ingredient.

Josephson junctions will be embedded in ohmic or structured dissipative environments, driven out of equilibrium by combined DC and AC biases. UNEP will provide finite-frequency observables, including noise spectra and field quadratures. Complementary analysis of regimes beyond perturbative UNEP, by analogy with bosonized models [8], will be performed.

WP2 will investigate how dissipation modifies quantum radiation, exploring regimes that suppress or enhance coherence and squeezing, stabilizing radiation via relaxation and phase-locking. This study will produce a phase diagram as a function of impedance, temperature, and drive conditions.

The work leverages the expertise of Aleksander Latyshev and Benoît Douçot in Josephson circuits and non-perturbative transport, notably Coulomb drag mediated by fluxon and Cooper pair cotunneling [10–12], providing a foundation to explore regimes where collective tunneling and strong dissipation produce nonclassical radiation. Results will provide predictions for microwave squeezing measurements in dissipative superconducting circuits.
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Début de la thèse : 01/10/2026

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Université Paris-Saclay GS Physique

564 Physique en Ile de France

Une formation solide en théorie des champs et problèmes de fermions fortement corrélés. Compétences analytiques et numériques. Capacité à travailler en équipe. Rigueur intellectuelle.
Solid training in field theory and strongly correlated fermion problems. Analytical and numerical skills. Ability to work in a team. Intellectual rigor.