L'un des principaux accomplissements scientifiques du siècle dernier est sans doute le développement de la Physique Quantique. Parallèlement, notre société est entrée dans l'ère de l'information. Aujourd'hui, théorie de l'information et théorie quantique se recoupent sous un champ d'activité émergent : le traitement de l'information quantique. Ce domaine propose de tirer parti des corrélations subtiles entre états quantiques pour effectuer des opérations de communication ou de logique. Ces travaux de thèse s'inscrivent dans ce contexte. Ils visent la génération d'états quantiques de la lumière, pour tester les prévisions contre-intuitives de la mécanique quantique, mais aussi pour l'ingénierie de dispositifs de traitement de l'information quantique. Ces états quantiques sont des photons uniques indiscernables, rayonnés par des boîtes quantiques uniques. S'il est bien connu aujourd'hui que ces nano-émetteurs émettent des photons uniques, des processus rapides de décohérence propres à la physique du solide détériore l'indiscernabilité entre photons successivement émis. Pour restaurer l'indiscernabilité entre photons, le processus d'émission est accéléré en couplant la boîte au mode d'une microcavité optique (un micropilier), de sorte que les photons sont émis avant qu'ils ne soient marqués par les processus déphasants. Ainsi, nous avons pu produire des photons uniques avec un degré d'indiscernabilité supérieur à 75%. Ces photons sont alors sujets à des phénomènes d'interférence peu communs : lorsque deux photons sont incidents sur les deux ports d'entrée d'une lame séparatrice, les deux photons ressortent de la lame toujours sur le même port de sortie
L'un des principaux accomplissements scientifiques du siècle dernier est sans doute le développement de la Physique Quantique. Parallèlement, notre société est entrée dans l'ère de l'information. Aujourd'hui, théorie de l'information et théorie quantique se recoupent sous un champ d'activité émergent : le traitement de l'information quantique. Ce domaine propose de tirer parti des corrélations subtiles entre états quantiques pour effectuer des opérations de communication ou de logique. Ces travaux de thèse s'inscrivent dans ce contexte. Ils visent la génération d'états quantiques de la lumière, pour tester les prévisions contre-intuitives de la mécanique quantique, mais aussi pour l'ingénierie de dispositifs de traitement de l'information quantique. Ces états quantiques sont des photons uniques indiscernables, rayonnés par des boîtes quantiques uniques. S'il est bien connu aujourd'hui que ces nano-émetteurs émettent des photons uniques, des processus rapides de décohérence propres à la physique du solide détériore l'indiscernabilité entre photons successivement émis. Pour restaurer l'indiscernabilité entre photons, le processus d'émission est accéléré en couplant la boîte au mode d'une microcavité optique (un micropilier), de sorte que les photons sont émis avant qu'ils ne soient marqués par les processus déphasants. Ainsi, nous avons pu produire des photons uniques avec un degré d'indiscernabilité supérieur à 75%. Ces photons sont alors sujets à des phénomènes d'interférence peu communs : lorsque deux photons sont incidents sur les deux ports d'entrée d'une lame séparatrice, les deux photons ressortent de la lame toujours sur le même port de sortie
Les phénomènes quantiques les plus fondamentaux comme la cohérence quantique et l’intrication sont aujourd'hui explorés pour réaliser de nouvelles technologies. C'est le domaine des technologies quantiques, qui promettent de révolutionner le calcul, la communication et la métrologie. En encodant l'information dans les systèmes quantiques, il serait possible de résoudre des problèmes inaccessibles aux ordinateurs classiques, de garantir une sécurité absolue dans les communications et de développer des capteurs dépassant les limites classiques de précision. Les photons uniques, en tant que vecteurs d'information quantique, ont acquis un rôle central dans ce domaine, car ils peuvent être manipulés facilement et être utilisés pour mettre en œuvre de nombreux protocoles quantiques. Pour cela, il est essentiel de développer des interfaces très efficaces entre les photons et les systèmes quantiques matériels, tels les atomes uniques, une fonctionnalité fondamentale à la fois pour la génération et la manipulation des photons. La réalisation de tels systèmes dans l'état solide permettrait de fabriquer des dispositifs quantiques intégrés et à large échelle. Dans ce travail de thèse, nous étudions l'interface lumière-matière réalisée par une boîte quantique unique, utilisée comme un atome artificiel, couplée de façon déterministe à une cavité de type micropilier. Un tel dispositif s'avère être un émetteur et un récepteur efficace de photons uniques, et il est utilisé ici pour implémenter des fonctionnalités quantiques de base. Tout d'abord, sous une excitation optique résonante, nous montrons comment nos composants sont des sources très brillantes de photons uniques. L’accélération de l'émission spontanée de la boîte quantique dans la cavité et le contrôle électrique de la structure permettent de générer des photons très indiscernables avec une très haute brillance. Cette nouvelle génération de sources de photons uniques peut être utilisée pour générer des états de photons intriqués en chemin appelés états NOON. Ces états intriqués sont des ressources importantes pour la détection de phase optique, mais leur caractérisation optique a été peu étudiée jusqu’à présent. Nous présentons une nouvelle méthode de tomographie pour caractériser les états de NOON encodés en chemin et implémentons expérimentalement cette méthode dans le cas de deux photons. Enfin, nous étudions le comportement de nos composants comme filtres non-linéaires de lumière. L'interface optimale entre la lumière et la boîte quantique permet l'observation d'une réponse optique non-linéaire au niveau d'un seul photon incident. Cet effet est utilisé pour démontrer le filtrage des états Fock à un seul photon à partir d’impulsions classiques incidentes. Ceci ouvre la voie à la réalisation efficace d’interactions effectives entre deux photons dans un système à l’état solide, une étape fondamentale pour surmonter les limitations dues au fonctionnement probabilistes des portes optiques linéaires.
Dans le domaine de l’information quantique, les photons apparaissent comme de parfaits bits quantiques (qubits) pour le transport de l’information d’un point à un autre. Ce besoin de photons uniques sur demande, où un et un seul photon est émis avec une bonne fiabilité, conduit à une recherche considérable dans le développement de sources de photons efficace. Un paramètre clé est la brillance, défini comme la probabilité qu’un photon émis par l’émetteur soit collecté. Pour certaines applications, il est également important que tous les photons émis soient tous identiques. On dit alors qu’ils sont indiscernables, dans ce cas les photons peuvent interagir et interférer entre eux. Pour obtenir la source idéale de photons uniques et indiscernables avec une brillance égale à un, de nombreuses pistes sont explorées avec différents émetteurs tels que des défauts dans le diamant, des ions ou des atomes piégés, des molécules uniques ou des boîtes quantiques semiconductrices.En couplant une boîte quantique avec une cavité optique, l’émission spontanée est de la boîte quantique est modifiée pour obtenir des sources brillantes de photons uniques. Une technique innovante développée dans l’équipe du Pr. Pascale Senellart au Laboratoire de Photonique et Nanostructures (LPN) du CNRS permet de fabriquer des sources brillantes de manière reproductible avec une excellente fiabilité.Ce travail explore les performances de boîtes quantiques uniques couplées dans des micropiliers. Diverses techniques sont utilisées pour augmenter la pureté des photons uniques et leur indiscernabilité tout en maintenant une brillance élevée. Dans un premier temps, une structure de cavité adiabatique a été utilisée pour obtenir une plus grande accélération de l’émission spontanée des BQs par effet Purcell. Ces sources ont utilisées pour réaliser un réseau où les photons émis par différentes sources interfèrent. Ensuite, une technique pour appliquer une tension électrique sur les micropilliers a été développée. Grâce à cette technique et à une excitation optique résonante, des photons parfaitement indiscernables sont collectés avec une très bonne brillance.Les résultats présentés ouvrent de nombreuses perspectives pour diverses applications telles que la fabrication d’un réseau quantique, pour la cryptographie quantique, pour la métrologie ou pour la microscopie.
Les boîtes quantiques semi-conductrices se sont imposées comme d'excellentes sources de photons uniques pour les technologies quantiques optiques. Lorsqu'elles sont insérées dans une cavité optique, elles émettent de manière déterministe des photons uniques purs et indiscernables à la demande, avec des taux d'émission élevés. Les sources de photons uniques à boîte quantiques ont jusqu'à présent été utilisées pour traiter les informations quantiques encodées dans les modes discrets des photons uniques, selon un cadre connu sous le nom de codage à variables discrètes. Alternativement, les informations quantiques peuvent être encodées sur les quadratures continues du champ optique dans le cadre des variables continues. Grâce à leur capacité à générer de manière déterministe des états de lumière non gaussiens complexes et à fournir une non-linéarité optique au niveau du photon unique, les boîtes quantiques dans les cavités pourraient également offrir de nouvelles possibilités pour traiter les informations dans une approche à variables continues.Dans cette thèse de doctorat, nous faisons un premier pas vers le positionnement de nos sources de boîte quantiques comme ressources potentielles pour les technologies quantiques optiques à variables continues. Nous présentons de la mesure de la fonction de Wigner de l'état photonique unique et des états de superposition du nombre de photons générés par un émetteur quantique à l'état solide. Nous avons atteint cet objectif en surmontant les principaux défis liés au fonctionnement dans le régime de faible transmission et à l'ajustement des techniques de mesure au taux d'emission élevé de nos sources de photons uniques : (i) l'optimisation de l'interférence quantique entre l'oscillateur local (un état cohérent faible) et les états photoniques émis par notre dispositif à boîte quantiques, ce qui conduit à des opérations de déplacement optimales, (ii) la correction de la perte de photons, et (iii) la reconstruction de la distribution du nombre de photons à partir de la détection de photons uniques.
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.
Les boîtes quantiques sont des sources de photons uniques prometteuses pour les réseaux d’information quantique, qui peuvent être intégrées dans des circuits photoniques et s’appuyer sur des technologies de semi-conducteur éprouvées. Dans ce contexte, ce travail se concentre sur les propriétés d’indiscernabilité des photons émis par une boîte quantique semiconductrice sous excitation résonnante. Nous utilisons une configuration particulière où les boîtes sont insérées dans une microcavité planaire permettant de s’affranchir du fond de diffusion parasite du laser d’excitation et d’améliorer la collection du signal d’émission. Nous pouvons ainsi explorer un régime de très basse puissance, où les photons d’excitation sont diffusés élastiquement sur la transition fondamentale de la boîte quantique (régime de diffusion Rayleigh résonnante). Dans ce régime, la cohérence du laser d’excitation est transmise aux photons émis, faisant des boîtes quantiques une source de photons uniques avec une cohérence extrêmement longue.Les propriétés d’indiscernabilité sont étudiées en utilisant les interférences à deux photons (coalescence) dans un interféromètre de Hong–Ou–Mandel. Une étude expérimentale complète de l’indiscernabilité est présentée en fonction de la puissance d’excitation ainsi que du temps de cohérence du laser d’excitation. Elle montre en particulier l’effet de la diffusion élastique dans la limite de basse puissance d’excitation. Il apparaît qu’une nouvelle caractéristique quantitative doit être introduite afin d’estimer l’indiscernabilité en tant que phénomène temporel, un aspect particulièrement important lorsque les émetteurs sont des sources continues de photons.
\nLes boîtes quantiques semi-conductrices sont\ndes candidats prometteurs pour la génération d'états quantiques\nde la lumière, tels que des photons uniques. En isolant ces\nnano-émetteurs dans des microcavités optiques, ces émetteurs\nuniques peuvent produire des photons identiques : l'exaltation du taux\nd'émission spontanée permet de contourner les effets de perte de\ncohérence de l'émetteur, qui marquent aléatoirement les photons\némis. L'indiscernabilité entre photons est sondée via des\nexpériences d'interférence à deux photons. La visibilité du\nprocessus d'interférence indique des taux d'indiscernabilité\nsupérieurs à 70% entre photons émis par une boîte\nisolée en cavité micropilier ou à cristal photonique.\n