Grâce à des avancées récentes, il est devenu possible de mesurer des signaux électromagnétiques dans le domaine microonde avec un bruit ajouté inférieur à un photon par mode. Pourtant, l'énergie d'un photon microonde est environ 100 000 fois inférieure à celle d'un photon optique, et sa détection nécessite donc un circuit refroidi à des températures inférieures à 100 mK. En revanche, il est beaucoup plus facile de contrôler la fonction d'onde spatiale et temporelle d'un photon à 5 GHz qu'à 500 THz. Les expériences de physique mésoscopique, et plus particulièrement celles sur les circuits quantiques supraconducteurs, peuvent maintenant être comprises à la manière de celles de l'optique quantique, pour lesquelles la détection d'un photon unique est standard depuis plusieurs décennies.
Le but du cours est d'exposer les principes des nouveaux amplificateurs au cœur des mesures mésoscopiques dont la précision est limitée uniquement par le principe d'incertitude. La première partie du cours traitera de façon approfondie, par le formalisme dit « entrée-sortie », les effets non-linéaires et hors-équilibre caractérisant les circuits actifs quantiques. Nous examinerons en particulier les amplificateurs paramétriques basés sur le pompage d'une ou plusieurs jonctions Josephson. Les relations entre gain, bande passante et étendue dynamique illustreront l'influence déterminante du bruit quantique sur le fonctionnement de ces amplificateurs et sur le traitement du signal de mesure qu'ils effectuent. L'utilisation de la rétroaction dans le but de contrôler l'état dynamique d'un qubit sera abordée dans la dernière partie de ce cours. Nous nous baserons sur l'exemple, d'intérêt métrologique, que serait la mesure des oscillations de Rabi persistantes, phénomène quantique prédit depuis plusieurs années mais encore non observé.