Traitement des signaux d'un imageur SQUID à l'aide de FPGA // FPGA-based readout for quantum-limited cryogenic SQUID imaging

La mesure de signaux extrêmement faibles de SQUIDs et d'autres circuits électroniques supraconducteurs à températures cryogénique impose des contraintes strictes à l'électronique de lecture, en particulier en termes de bruit et de bande passante [1]. Les SQUIDs fonctionnent intrinsèquement comme des transducteurs ultra-sensibles [2], capables de détecter les variations de flux magnétique correspondant aux fluctuations de tension ou de courant de l'ordre ou inférieur au nV/√Hz , ce qui fait de la préservation de l'intégrité du signal tout au long de la chaîne d'acquisition un défi critique. Dans ce contexte, les circuits reconfigurables (FPGA) sont apparus [3] comme une solution très avantageuse pour le back-end numérique des systèmes de mesure cryogéniques, en particulier pour des signaux de SQUID multiplexés ou pour des configurations complexes de modulation.

L'un des principaux intérêts de l'utilisation des FPGA réside dans leur capacité à mettre en œuvre des architectures de traitement de signaux numériques à haut débit et parallèles. Dans les schémas de lecture SQUID récents, les informations du détecteur sont codées sur plusieurs porteuses et nécessitent une démodulation, un filtrage et une reconstruction en temps réel.

Les FPGA jouent également un rôle central dans l'atténuation du bruit et par préserver la fidélité du signal. Parce que les signaux issus des SQUIDs sont extrêmement faibles, tout bruit électronique supplémentaire introduit au stade de la lecture peut dominer la mesure. En mettant en œuvre le filtrage numérique adéquat, la détection synchrone et la décimation directement dans le matériel, les FPGA réduisent la dépendance aux composants analogiques, qui sont généralement plus sensibles au bruit thermique et aux interférences électromagnétiques.

Sur la base de ces principes, le travail de doctorat proposé se concentrera sur le développement d'un système de lecture à haute fréquence basé sur FPGA fonctionnant autour de 1 GHz, ciblant un système d'imagerie magnétique compact à base de SQUIDs. Le travail consistera à concevoir et à mettre en œuvre une architecture numérique à quatre canaux capable d'acquérir, de convertir et de traiter des signaux portant la réponse SQUID codée. À de telles fréquences, la lecture repose généralement sur des techniques hétérodynes ou homodynes, où chaque canal doit générer des oscillateurs locaux précis, effectuer un mélange numérique et appliquer des étapes de filtrage et de décimation à faible bruit.

Un aspect central du projet sera l'optimisation de la chaîne de réception pour préserver la sensibilité limitée quantique de l'imageur. Cela comprend une gestion minutieuse du bruit de quantification, de la gigue d'horloge et de la précision numérique par leFPGA, ainsi que la mise en œuvre de stratégies efficaces.

Les tests et la validation seront effectués au laboratoire à l'aide de signaux simulés ainsi qu'avec des données expérimentales provenant de capteurs SQUID existants et de circuits électroniques numériques. Ce travail de doctorat fournira une expérience pratique dans la conception numérique à grande vitesse et l'instrumentation cryogénique pour l'avancement des technologies de détection quantique.

REFERENCES

[1] J. A. B. Mates, D. A. Bennett, B. J. Dober, J. D. Gard, J. P. Hays-Wehle, L. R. Vale, and J. N. Ullom, “Demonstration of a multiplexer of dissipationless superconducting quantum interference devices,” J. Appl. Phys., vol. 111, p. 054510, 2012.

[2] K. D. Irwin and K. W. Lehnert, “Microwave SQUID multiplexer,” Appl. Phys. Lett., vol. 85, pp. 2107–2109, 2004.

[3] M. E. Garcia Redondo, J. D. Bonilla Neira, N. A. Müller, L. P. Ferreyro, J. M. Geria, T. Muscheid, R. Gartmann, A. Almela, M. R. Hampel, L. Ardila-Perez, M. Wegner, M. Platino, O. Sander, S. Kempf and M. Weber, “Microwave SQUID Multiplexer Readout Performance Using a Direct-RF RFSoC-Based Software-Defined Radio,” arXiv:2509.23569, 2025.
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The measurement of extremely low signals from Superconducting Quantum Interference Devices (SQUIDs) and other superconducting digital electronics devices at cryogenic temperatures imposes stringent constraints on the readout electronics, particularly in terms of noise, bandwidth and scalability [1]. SQUIDs intrinsically operate as ultra-sensitive transducers [2], capable of detecting magnetic flux variations corresponding to voltage or current fluctuations on the order of 1 nV/√Hz or below , which makes the preservation of signal integrity throughout the acquisition chain a critical challenge . In this context, Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) have emerged [3] as a highly advantageous solution for the digital back-end of cryogenic measurement systems, especially when dealing with multiplexed SQUID arrays and complex modulation schemes.
One of the primary interests of using FPGAs lies in their ability to implement high-throughput, and parallel digital signal processing architectures. In modern SQUID readout schemes—such as microwave SQUID multiplexing—the detector information is encoded onto multiple carrier tones and requires real-time demodulation, filtering, and reconstruction.
FPGAs also play a central role in mitigating noise and preserving signal fidelity. Because SQUID signals are extremely weak, any additional electronic noise introduced at the readout stage can dominate the measurement. By implementing digital filtering, synchronous detection, and optimized decimation directly in hardware, FPGAs reduce reliance on analog components, which are typically more susceptible to thermal noise and electromagnetic interference. Moreover, placing certain FPGA-based or FPGA-controlled electronics closer to the cryogenic stage can reduce cable lengths and associated bandwidth limitations, thereby improving overall system performance.
Building on these principles, the proposed doctoral work will focus on the development of a high-frequency FPGA-based readout scheme operating around 1 GHz, targeting a compact, quantum-limited SQUID-based imaging system. The work will consist of designing and implementing a four-channel digital architecture capable of acquiring, downconverting, and processing GHz-range signals carrying the encoded SQUID response. At such frequencies, the readout typically relies on heterodyne or homodyne techniques, where each channel must generate precise local oscillators, perform digital mixing, and apply low-noise filtering and decimation stages.
A central aspect of the project will be the optimization of the signal chain to preserve the quantum-limited sensitivity of the imager. This includes careful management of quantization noise, clock jitter, and numerical precision within the FPGA fabric, as well as the implementation of efficient strategies.
Testing and validation will be performed in the laboratory using simulated signals as well as experimental data from existing SQUID sensors and digital electronics circuits. This doctoral work will provide hands-on experience in high-speed digital design, cryogenic instrumentation, for the advancement of scalable quantum sensing technologies.

REFERENCES

[1] J. A. B. Mates, D. A. Bennett, B. J. Dober, J. D. Gard, J. P. Hays-Wehle, L. R. Vale, and J. N. Ullom, “Demonstration of a multiplexer of dissipationless superconducting quantum interference devices,” J. Appl. Phys., vol. 111, p. 054510, 2012.

[2] K. D. Irwin and K. W. Lehnert, “Microwave SQUID multiplexer,” Appl. Phys. Lett., vol. 85, pp. 2107–2109, 2004.

[3] M. E. Garcia Redondo, J. D. Bonilla Neira, N. A. Müller, L. P. Ferreyro, J. M. Geria, T. Muscheid, R. Gartmann, A. Almela, M. R. Hampel, L. Ardila-Perez, M. Wegner, M. Platino, O. Sander, S. Kempf and M. Weber, “Microwave SQUID Multiplexer Readout Performance Using a Direct-RF RFSoC-Based Software-Defined Radio,” arXiv:2509.23569, 2025.
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Début de la thèse : 01/10/2026

Programmes gouvernementaux hors France et Union Européenne

Université de Savoie Mont-Blanc

220 EEATS - Electronique, Electrotechnique, Automatique, Traitement du Signal

École d'ingénieur, master en physique ou electical engineering. Bonne connaissance des techniques numériques et analogiques. Bonne expertise dans les techniques expérimentales. La connaissance des supraconducteurs et des techniques cryogéniques est un plus, mais pas nécessaire.
Engineering school with a master of physics or electrical engineering. Good knowledge of digital and analogue techniques. Good expertise in experimental techniques. Knowledge about superconductors and cryogenic techniques are a plus but not necessary.