Les corrélations de photons sont à la base d'un certain nombre d'expériences et d'applications (spectroscopie de corrélation de photons, profilométrie haute résolution, cryptographie quantique, téléportation). L'évaluation de ces propriétés de corrélation revêt dès lors une importance toute particulière et correspond à la thématique dans laquelle s'inscrit ce travail de thèse de Doctorat. Tout d'abord, les concepts de compteur de photons par absorption à deux photons ont été (ré)évalués expérimentalement dans différents semiconducteurs et nous ont conduits à établir les bases d'un modèle quantique du comptage à deux photons. Par la suite, l'absorption à deux photons dans les semiconducteurs est appliquée dans une nouvelle technique qui permet la mesure du degré de cohérence d'ordre deux de sources optiques continues de faibles puissances (0,1 µW au minimum) avec une bande passante allant de 1,1 à 1,7 µm et une résolution de l'ordre de la femtoseconde. Expérimentalement, le montage est conceptuellement proche d'un interféromètre de Hanbury Brown et Twiss où, dans notre cas, les deux sous-faisceaux décalés dans le temps sont recombinés sur un compteur à deux photons. Grâce à la très large bande passante à deux photons, les corrélations de sources larges spectralement sont caractérisées au moyen de ce montage qui permet la mesure du degré de cohérence d'ordre deux de sources chaotiques aussi bien que d'un générateur paramétrique à la dégénérescence ou hors de la dégénérescence. Pour la première fois, le phénomène de bunching des photons issus d'un corps noir a été vérifié par une mesure directe. Pour ce qui est de la lumière paramétrique, après avoir développé une source de photons jumeaux, nous avons démontré que notre montage expérimental était à même de mesurer les coïncidences exactes des photons issus d'une même paire aussi bien que les coïncidences accidentelles entre photons de paires différentes en contrôlant les phénomènes de dispersion chromatiques à l'aide d'une paire de prismes. Enfin, deux modèles théoriques originaux de corrélation de photons jumeaux ont été développés, basées sur les approches quantique et classique, et sont en excellent accord avec l'ensemble de nos résultats expérimentaux.
Les corrélations de photons sont à la base d'un certain nombre d'expériences et d'applications (spectroscopie de corrélation de photons, profilométrie haute résolution, cryptographie quantique, téléportation). L'évaluation de ces propriétés de corrélation revêt dès lors une importance toute particulière et correspond à la thématique dans laquelle s'inscrit ce travail de thèse de Doctorat. Tout d'abord, les concepts de compteur de photons par absorption à deux photons ont été (ré)évalués expérimentalement dans différents semiconducteurs et nous ont conduits à établir les bases d'un modèle quantique du comptage à deux photons. Par la suite, l'absorption à deux photons dans les semiconducteurs est appliquée dans une nouvelle technique qui permet la mesure du degré de cohérence d'ordre deux de sources optiques continues de faibles puissances (0,1 µW au minimum) avec une bande passante allant de 1,1 à 1,7 µm et une résolution de l'ordre de la femtoseconde. Expérimentalement, le montage est conceptuellement proche d'un interféromètre de Hanbury Brown et Twiss où, dans notre cas, les deux sous-faisceaux décalés dans le temps sont recombinés sur un compteur à deux photons. Grâce à la très large bande passante à deux photons, les corrélations de sources larges spectralement sont caractérisées au moyen de ce montage qui permet la mesure du degré de cohérence d'ordre deux de sources chaotiques aussi bien que d'un générateur paramétrique à la dégénérescence ou hors de la dégénérescence. Pour la première fois, le phénomène de bunching des photons issus d'un corps noir a été vérifié par une mesure directe. Pour ce qui est de la lumière paramétrique, après avoir développé une source de photons jumeaux, nous avons démontré que notre montage expérimental était à même de mesurer les coïncidences exactes des photons issus d'une même paire aussi bien que les coïncidences accidentelles entre photons de paires différentes en contrôlant les phénomènes de dispersion chromatiques à l'aide d'une paire de prismes. Enfin, deux modèles théoriques originaux de corrélation de photons jumeaux ont été développés, basées sur les approches quantique et classique, et sont en excellent accord avec l'ensemble de nos résultats expérimentaux.
Ce mémoire de maîtrise est consacré à la mise en place d'une technique de spectroscopie quantique comme nouvel outil de caractérisation. La spectroscopie quantique, tout comme la spectroscopie classique, consiste en l'étude des matériaux avec la lumière. La différence est le type de lumière utilisé. Dans le cas présent, on utilise comme sonde des paires de photons qui partagent une propriété très intéressante, soit l'intrication. Les propriétés quantiques que nous promet l'intrication peuvent être utilisées pour donner un net avantage à la lumière quantique sur la lumière dite classique, d'un point de vue spectroscopique. Dans un premier temps, les nombreux avantages qu'offre la spectroscopie quantique seront revus, en explorant les différentes techniques que propose la communauté. En second lieu, les outils théoriques nécessaires à la bonne compréhension du phénomène de génération de photons intriqués, soit la conversion paramétrique spontanée, seront exposés. Ensuite, l'importance de la fonction de corrélation de second ordre dans le formalisme qui décrit la détection de photons intriqués sera discutée. De plus, les propriétés spectrales non classiques du biphoton, soit une paire de photons intriqués, seront exposées. On décrira ensuite les détails expérimentaux portant sur la mise en place d'un interféromètre de type Hong-Ou-Mandel, où l'un des bras contient un matériau à caractériser. L'interaction avec le matériau modifiera les propriétés du biphoton, ce qui sera visible dans le creux d'anti-corrélation causé par l'interférence quantique à deux photons. Malgré l'impossibilité d'observer ce creux d'anti-corrélation à cause du trop faible couplage de la source dans l'interféromètre, la génération de paires de photons intriqués a tout de même été observée. De plus, la possibilité d'observer de l'interférence à deux photons a été montrée en mesurant des oscillations quantiques issues d'interférences à un photon. Cela valide la possibilité d'utiliser cette technique spectroscopique comme nouvel outil de caractérisation.
Une source efficace de photons uniques et indiscernables Dans les domaines des communications quantiques et du calcul quantique, la transmission d'information à l'aide de photons uniques garantis la sécurité de la communication et permet la mise en œuvre de calculs irréalisables avec nos ordinateurs « classiques ». L'un des éléments primordiaux à la réalisation de tels protocoles est la source de photons. Elle doit émettre, à la demande, un et un seul photon aux propriétés quantiques déterminées.L'objectif de ce projet de thèse est de caractériser une source de photons uniques et indiscernables, conçue et fabriquée au CEA-Grenoble, et qui consiste en une boite quantique semiconductrice d'arséniure d'indium (InAs) intégrée à une nanocavité d'arséniure de gallium (GaAs). Présentant un faible facteur de qualité, la nanocavité permet l'extraction efficace de photons sur une grande plage de longueurs d'ondes (30nm). De plus, grâce à son petit volume de mode, l'émission spontanée des boites quantiques en son sein peut être accélérée par un effet Purcell pouvant aller jusqu'à 6.Dans ce manuscrit de thèse, nous détaillons tout d'abord la mise en place et l'optimisation des dispositifs expérimentaux utilisés pour caractériser les photons émis par notre échantillon : Micro-photoluminescence, mesure du temps de vie radiatif, expérience Hanbury-Brown et Twiss (HBT) et expérience Hong-Ou-Mandel (HOM). Ensuite, nous présentons les résultats expérimentaux obtenus pour les photons émis par deux boites quantiques distinctes : L'une contenant des états d'excitons neutres, et la seconde, un état d'exciton chargé. Afin de photo-créer ces états d'excitons dans les boites quantiques, deux dispositifs d'excitation optique impulsionnelle ont été mis en place : L'excitation résonante à deux photons du biexciton neutre, et l'excitation quasi-résonante assistée par phonons longitudinaux acoustiques de l'exciton neutre et de l'exciton chargé. Nous présentons la mesure des trois figures de mérite d'une source de photon unique pour ces deux boites quantiques : La brillance, l'unicité des photons émis et leur indiscernabilité. Dans un second temps, nous nous intéresserons particulièrement à l'état d'exciton chargé et mesurerons le profil de sa raie d'émission et sa fonction d'autocorrélation sous excitation résonante continue. Ces résultats, réalisés au sein du groupe de nano-photonique de l'université de Bâle, constituent la première démonstration d'excitation continue sur ces nanostructures, ce qui est une agréable surprise étant donné leur petite taille.Pour terminer, nous nous pencherons sur l’effet de l’application de contraintes mécaniques sur la séparation en énergie des deux états de l’exciton neutre, appelée la « séparation de structure fine ». Lors de la cascade radiative de l’état du biexciton neutre, les deux photons émis sont intriqués en polarisation, et la fidélité de l’intrication dépend notamment de la séparation de structure fine. Nous étudierons ici un second échantillon, où les boites quantiques InAs sont intégrées à un microfil photonique de GaAs. En faisant fléchir le microfil, des contraintes mécaniques sont appliquées sur les boites quantiques, ce qui a pour effet de modifier l’énergie des états de l'excitons. Nous présenterons une étude expérimentale visant à observer un possible effet sur la séparation de structure fine.En conclusion, nous avons développé et optimisé divers dispositifs expérimentaux permettant la caractérisation de sources de photons pour des applications dans le domaine des communications quantiques et du calcul quantique. Pour une première version de ces nanostructure photonique, la brillance, l'unicité de l'émission et l'indiscernabilité des photons émis par nos boites quantiques intégrées dans des nanocavités sont très encourageantes pour la suite. Les prochains objectifs portent sur l'amélioration des nanocavités et sur la caractérisation plus approfondie des phénomènes de décohérence et du couplage mécanique entre les boites quantiques et ces structures.
Une source de lumière comporte des bruits d'origine classique (dus aux vibrations mécaniques, aux fluctuations thermiques...) qu'il est en principe toujours possible d'éliminer et un bruit d'origine spécifiquement quantique lié à la nature corpusculaire de la lumière. Ce bruit de photon appelé aussi bruit quantique standard ou bruit de grenaille a longtemps été considéré comme une limite infranchissable pour la sensibilité des mesures optiques. On sait maintenant qu'il existe des états du champ électromagnétique qui permettent de dépasser cette 'limite quantique standard'. Ces états comprimés du champ sont dans la plupart des cas créés par des effets d'optique non linéaire. En particulier, ils peuvent être produits par un Oscillateur Paramétrique Optique (OPO). Un OPO constitué par un cristal non-linéaire inséré dans une cavité optique, et excité par une onde pompe intense, génère par effet paramétrique deux nouvelles ondes dites signal et complémentaire. Il est possible de réduire sous le bruit quantique standard les fluctuations associées à ces trois ondes. En particulier, par interaction paramétrique, un photon de pompe est converti simultanément en un photon du signal et un photon du complémentaire. Un OPO génère ainsi des faisceaux corrélés temporellement au niveau quantique et appelés faisceaux jumeaux. De plus, lorsque la pompe est une onde plane, et que les fréquences du signal et complémentaire sont voisines, par l'interaction paramétrique signal et complémentaires sont émis symétriquement par rapport à la direction de propagation de la pompe et sont donc aussi corrélés spatialement au niveau quantique. La réduction sous la limite quantique standard du bruit de l'onde pompe réfléchie par la cavité est une illustration des potentialités de compression de l'OPO. Celle-ci a été mise en évidence dans un OPO fonctionnant avec un cristal à quasi accord de phase et émettant des faisceaux à une longueur d'onde voisine de 2Μm. Les faisceaux jumeaux constituent un autre exemple de faisceaux non-classiques émis par l'OPO. Ils peuvent être utilisés pour améliorer la sensibilité ultime de certaines mesures. En particulier, la corrélation de faisceaux jumeaux a été exploitée pour réaliser une mesure d'absorption dans le rubidium avec une sensibilité non limitée par le bruit quantique standard. Dans un OPO dégénéré en modes transverses, pour lequel l'émission est multimode, la compression des fluctuations peut s'observer en théorie à l'échelle locale en ne mesurant le bruit que sur une partie du faisceau. De plus un tel OPO doit permettre d'observer des corrélations quantiques spatiales entre différentes parties des faisceaux. Expérimentalement, il a été montré que dans un OPO confocal, l'émission, multimode, possède des corrélations locales. Des faisceaux possédant une corrélation quantique spatiale ont permis de mesurer le petit déplacement d'un faisceau avec une sensibilité supérieure à la limite quantique standard.
Dans le but de realiser des portes logiques quantique tout optique, ce travail de these explore la possibilite d'utiliser des boites quantiques semiconductrices de la famille des II-VI comme source de photons uniques indiscernables. Dans ce cadre general de l'information quantique, nous nous sommes attaches a mettre en place les moyens necessaires pour etudier la formation d'excitons et de multiexcitons dans les boites quantiques. A temperature de l'helium liquide, nous avons effectue des etudes spectroscopiques puis des etudes sur la statistique des photons emis par les boites. A l'aide d'un montage de correlations de photons a haute resolution temporelle, de l'ordre de 100 ps, nous avons pu mettre en avant l'effet de degroupement de photons, signature d'une source de photons uniques. Cet effet purement quantique a ete demontre en regime continu et en regime impulsionnel. En utilisant deux spectrometres, nous avons aussi montre l'effet de correlations croisees de photons entre un exciton d'une boite et son biexction associe. Une fois ce travail valide, il nous a fallu etudier le caractere indiscernable des photons emis les boites quantiques. L'indiscernabilite etant relie a la purete spectrale des photons emis, des mesures de coherence optique ont ete necessaire. Ces mesures ont montre des premiers resultats plutot negatifs. Parallelement, diverses methodes de pompage, de creation des porteurs dans les boites ont ete etudie de facon a optimiser et a allonger la longueur de coherence des photons crees par les excitons se recombinant. Pour terminer, des possibilites d'experiences futures ou d'experiences a completer sont decrites
L’intrication quantique est une ressource importante pour l’avancée scientifique et l’information quantique. En optique quantique, il est possible de construire des états intriqués de multiples photons, permettant leur utilisation pour diverses applications. La génération expérimentale de paires de photons intriqués est, à notre époque, assez simple. La fluorescence paramétrique, parmi d’autres, peut être utilisée pour produire des paires de photons intriqués en polarisation. Cependant, la fluorescence paramétrique ne produit que des paires de photons intriqués et pour certaines applications, il est nécessaire d’avoir des états intriqués de plus de deux photons. Dans ces cas cette méthode est insuffisante. Alors pour créer des triplets de photons intriqués, nous allons avoir besoin de recourir à d’autres méthodes. Une méthode bien connue consiste à faire interférer deux paires de photons intriqués à l’aide d’un réseau de plusieurs séparateurs de faisceaux et de sélectionner certaines mesures après la prise de données pour exclure les événements non-intriqués.[1] Ces montages sont parfois avantageux puisqu’ils permettent la création d’états intriqués comportant un nombre important de photons.[2, 3] Cependant, il y a des lacunes importantes; la nécessité de la nécessité de la sélection à posteriori proscrivant, pour certaines applications, l’utilisation de cette méthode.[4] Il existe cependant une autre méthode, pour les états intriqués d’un faible nombre de photons, qui consiste à utiliser la fluorescence paramétrique sur un des photons d’une paire de photons intriqués elle aussi produite par fluorescence paramétrique. C’est-à-dire, avoir un second stade de fluorescence paramétrique après le premier pour convertir un des photons d’une paire intriquée en une seconde paire, pour avoir comme résultat final un triplet de photons intriqués. Ce processus, nommé fluorescence paramétrique en cascade, donnera naissance à deux applications qui feront l’objet de cette thèse. La création d’états intriqués par fluorescence paramétrique en cascade à premièrement été proposée en 1990.[5] En 2010, la création de triples de photons non-intriqués fut démontrée dans un article qui suggérait que ces triplets de photons pouvaient également être intriqués.[6] Des montages expérimentaux basés sur cette méthode ont ensuite démontré la production de triplets intriqués en polarisation[7] et en énergie-tempsl[8] Des montagnes permettent la cascade hybride, où la fluorescence paramétrique est pompée d’un autre processus d’optique nonlinéaire.[9] Des études démontrent également qu’il est possible de créer des triplets de photons intriqués produits par fluorescence paramétrique en cascade dans un seul cristal,[9, 10] et que l’on pourrait, d’après des résultats théoriques, avoir un contrôle quasi absolu sur les corrélations spectrales des photons en changeant les paramètres de ce cristal.[11] Nous allons ici, comme travail original, discuter de deux applications utilisant la fluorescence paramétrique en cascade. La fluorescence paramétrique en cascade sera premièrement utilisée pour améliorer les sources de photons uniques annoncés. Il sera démontré, par le biais d’un développement analytique et d’une simulation numérique, que le caractère de photon unique de ces sources (quantifié par la fonction de corrélation de second ordre) peut être amélioré de façon significative en régime où le taux de production de photons annoncés est faible, c’est-à-dire, où les détections parasite des détecteurs de photons uniques est non-négligeable.[12] La seconde sera une amélioration du processus de génération de triplets de photons intriqués en polarisation,[7] où un interféromètre de Mach-Zehnder sera remplacé par un interféromètre de Sagnac pour créer un montage dont la phase est intrinsèquement stable.
La sensibilité des expériences de spectroscopie avec des sources de lumière classiques est limitée, au mieux, par le bruit de photons des faisceaux. L'Oscillateur Paramétrique Optique (OPO) produit des faisceaux dont les fluctuations sont corrélées au niveau quantique. Leur utilisation en spectroscopie peut donc permettre de réduire le bruit de fond de la mesure en dessous de la limite quantique standard. La partie expérimentale de cette thèse consiste à observer le signal d'absorption de la transition 4S-5S du Potassium sur l'un des faisceaux jumeaux. La mesure est effectuée sur la différence entre l'intensité du faisceau signal et celle du faisceau complémentaire en balayant la fréquence du laser à semi-conducteur qui fournit le second photon de la transition. Pour un faisceau signal de 6 mW produit par un OPO continu et un faisceau du laser à semi conducteur de 20 mW, nous avons observé une absorption relative de 2.5x10^-7 sur une bande passante de 3 Hz. Ce très faible signal a été détecté avec un bruit de fond réduit de 35% par rapport à la limite quantique standard. Sur le plan théorique, nous avons approfondi le modèle décrivant les champs produits par génération paramétrique. Jusqu'à présent, les théories sur le fonctionnement de ces sources de lumière non classique étaient basées sur un modèle en onde plane. Nous avons affiné ce modèle en prenant en compte la structure gaussienne de la lumière. Dans un premier temps, nous avons analysé le fonctionnement multimode transverse de l'OPO. Puis, du point de vue de la réduction des fluctuations quantiques des champs, nous avons étudié les modifications des prédictions du modèle en onde plane, dues aux effets transverses.