Les boites quantiques de semiconducteurs représentent une voie attractive pour la réalisation de sources de photon efficaces pour le transfert quantique de l information, avec un fort potentiel de miniaturisation et d intégration. Dans ce travail, les paires de photons intriqués sont générées via le déclin radiatif de bi-excitons, à partir de boite quantiques d InAs auto-assemblées placé dans une jonction p-i-n. Dans une première série d expérience d interférence à deux photons, nous avons démontré des corrélations de polarisation non classiques et la capacité de deux photons à interférer. L intrication a été démontrée avec une fidélité de 0.87+-0.04, et une visibilité des interférences de 0.60+-0.05. Nous avons ensuite réalisé le premier téléporteur injecté électriquement dans un circuit à fibre monomode. Une fidélité moyenne de 0.704+-0.016 a été mesurée pour 6 états distribués symétriquement sur la sphère de Poincaré, ce qui supérieur à la limite classique de 2/3 et prouve la téléportation. Un dispositif modifié de téléportation permettant d injecter des photons à partir d un laser continu indépendant a été développé. L interférence à deux photons entre sources différentes a été démontrée et des battements quantiques observés. La téléportation quantique des états de polarisation portés par les photons a été obtenue avec une fidélité moyenne 0.76+-0.012. Le contrôle du spin des charges confinés dans les nanostructures tels que les boites quantiques requiert une compréhension profonde de la physique des matériaux constituant, y compris au niveau nucléaire. Ainsi, nous avons démontré le contrôle électrique de l interaction hyperfine entre les spins électroniques et nucléaires en utilisant un composant à charge ajustable. La modélisation suggère que le mécanisme est contrôlé par le temps de corrélation hyperfine de l électron et le temps de dépolarisation du noyau.
Les boites quantiques de semiconducteurs représentent une voie attractive pour la réalisation de sources de photon efficaces pour le transfert quantique de l information, avec un fort potentiel de miniaturisation et d intégration. Dans ce travail, les paires de photons intriqués sont générées via le déclin radiatif de bi-excitons, à partir de boite quantiques d InAs auto-assemblées placé dans une jonction p-i-n. Dans une première série d expérience d interférence à deux photons, nous avons démontré des corrélations de polarisation non classiques et la capacité de deux photons à interférer. L intrication a été démontrée avec une fidélité de 0.87+-0.04, et une visibilité des interférences de 0.60+-0.05. Nous avons ensuite réalisé le premier téléporteur injecté électriquement dans un circuit à fibre monomode. Une fidélité moyenne de 0.704+-0.016 a été mesurée pour 6 états distribués symétriquement sur la sphère de Poincaré, ce qui supérieur à la limite classique de 2/3 et prouve la téléportation. Un dispositif modifié de téléportation permettant d injecter des photons à partir d un laser continu indépendant a été développé. L interférence à deux photons entre sources différentes a été démontrée et des battements quantiques observés. La téléportation quantique des états de polarisation portés par les photons a été obtenue avec une fidélité moyenne 0.76+-0.012. Le contrôle du spin des charges confinés dans les nanostructures tels que les boites quantiques requiert une compréhension profonde de la physique des matériaux constituant, y compris au niveau nucléaire. Ainsi, nous avons démontré le contrôle électrique de l interaction hyperfine entre les spins électroniques et nucléaires en utilisant un composant à charge ajustable. La modélisation suggère que le mécanisme est contrôlé par le temps de corrélation hyperfine de l électron et le temps de dépolarisation du noyau.
Génération électrique de lumière intriquée destinée au transfert optique d'information quantique Les boites quantiques de semiconducteurs représentent une voie attractive pour la réalisation de sources de photon efficaces pour le transfert quantique de l’information, avec un fort potentiel de miniaturisation et d’intégration. Dans ce travail, les paires de photons intriqués sont générées via le déclin radiatif de bi-excitons, à partir de boite quantiques d’InAs auto-assemblées placé dans une jonction p-i-n. Dans une première série d’expérience d’interférence à deux photons, nous avons démontré des corrélations de polarisation non classiques et la capacité de deux photons à interférer. L’intrication a été démontrée avec une fidélité de 0.87±0.04, et une visibilité des interférences de 0.60±0.05. Nous avons ensuite réalisé le premier téléporteur injecté électriquement dans un circuit à fibre monomode. Une fidélité moyenne de 0.704±0.016 a été mesurée pour 6 états distribués symétriquement sur la sphère de Poincaré, ce qui supérieur à la limite classique de 2/3 et prouve la téléportation. Un dispositif modifié de téléportation permettant d’injecter des photons à partir d’un laser continu indépendant a été développé. L’interférence à deux photons entre sources différentes a été démontrée et des battements quantiques observés. La téléportation quantique des états de polarisation portés par les photons a été obtenue avec une fidélité moyenne 0.76±0.012. Le contrôle du spin des charges confinés dans les nanostructures tels que les boites quantiques requiert une compréhension profonde de la physique des matériaux constituant, y compris au niveau nucléaire. Ainsi, nous avons démontré le contrôle électrique de l’interaction hyperfine entre les spins électroniques et nucléaires en utilisant un composant à charge ajustable. La modélisation suggère que le mécanisme est contrôlé par le temps de corrélation hyperfine de l’électron et le temps de dépolarisation du noyau.
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.
L'objectif de cette thèse a été de développer de nouvelles sources brillantes de photons à la fois uniques et indiscernables et de les utiliser pour réaliser une porte logique quantique. Pour cela, nous avons étudié et contrôlé l'émission spontanée de boîtes quantiques semi-conductrices insérées dans des structures optiques. Dans un premier temps, nous avons développé un nouveau type de cavités tridimensionnelles - simples à réaliser et que nous avons nommées cavités à " modes de Tamm plasmoniques confinés " - afin de contrôler l'émission spontanée d'une boîte quantique et de créer une source brillante de photons uniques. Dans un second temps, nous avons fabriqué et caractérisé des sources de photons uniques ayant des brillances records allant jusqu'à 0.79 photons collectés par impulsion laser. Pour cela, nous avons couplé de manière déterministe une boîte quantique à un mode confiné de micropilier. L'indiscernabilité des photons émis par la source a été étudiée en fonction des conditions d'excitation. Un schéma d'excitation à deux couleurs nous a permis d'obtenir pour la première fois une grande indiscernabilité entre les photons à forte brillance de la source. Enfin, pour montrer le potentiel de ces sources, nous avons construit une porte logique quantique Controlled-NOT opérant sur deux photons uniques. Cette porte qui retourne l'état d'un qubit de cible en fonction de l'état d'un qubit de contrôle est l'élément de base d'un ordinateur quantique. Grâce à la mesure de la table de vérité, nous avons obtenu le taux de succès de la porte. Finalement, en utilisant cette porte, nous avons généré deux photons intriqués en polarisation. La fidélité à l'état de Bell atteint 71%.
Ce travail porte sur la conception et la caractérisation de sources semiconductrices d'états à deux photons pour l'information quantique intégrée. Ces dispositifs, basés sur la fluorescence paramétrique dans des guides d'onde en AlGaAs, émettent des paires de photons à température ambiante aux longueurs d'onde des télécommunications. La première source est une diode laser émettrice de photons jumeaux, basée sur un accord de phase modal entre un mode laser de Bragg à 775 nm injecté électriquement et les modes de photons télécom au sein du même guide d'onde. Nous détaillons le design de la structure, sa caractérisation optique linéaire et non linéaire et son comportement sous injection de courant. L'obtention de l'émission laser et de la génération de seconde harmonique sur un même dispositif ouvre la voie vers une source ultra-compacte de paires de photons. Le second dispositif étudié repose sur une géométrie de pompage transverse où un faisceau laser incident sur le dessus du guide génère deux photons télécom guidés et contrapropageants. Nous explorons la grande versatilité de l'état quantique des paires générées par cette source, avec notamment les possibilités d'ingénierie de l'état dans le domaine fréquenciel offertes par cette géométrie. Nous présentons également la première démonstration expérimentale d'états intriqués en polarisation obtenue avec ce dispositif, ainsi qu'un modèle permettant de calculer la qualité de l'intrication à partir des distributions spatiales et spectrales du faisceau de pompe. Ces sources d'états non classiques, compactes et injectables électriquement, sont d'excellents candidats pour les implémentations photoniques de l'information quantique.
AlGaAs quantum photonics : from device engineering to quantum information protocols La photonique quantique intégrée est l'une des principales approches pour la réalisation de technologies quantiques versatiles et flexibles. Les applications les plus notables vont du calcul quantique et la simulation quantiques aux communications sécurisées. Dans cette thèse, nous relevons certains des défis actuels de la photonique quantique intégrée avec l'aide de la plate-forme AlGaAs. Grâce à sa non-linéarite optique du second ordre, son haut indice de réfraction et son important coefficient électro-optique, ce matériau est particulièrement adapté à la génération et la manipulation sur puce de paires de photons intriqués à température ambiante et aux longueurs d'onde télécom. Ce travail de thèse est divisé en deux axes de recherches parallèles : d'une part l'intégration monolithique de nouvelles fonctionnalités sur une puce photonique quantique AlGaAs et d'autre part l'application des sources AlGaAs de photons intriqués aux communications quantiques. Dans le premier projet, nous avons commencé par montrer l'intégration monolithique d'une ligne à retard électro-optique avec une source SPDC AlGaAs de paires de photons. La ligne à retard présente une tension pi/2 de 9 V, ce qui permet de contrôler l'état des photons directement sur la puce en utilisant des composants électroniques standards. En outre, nous sommes parvenus à intégrer un séparateur de polarisation large-bande avec une source AlGaAs sur une même puce monolithique. Ce dispositif a permis de montrer une séparation efficace des polarisation avec un taux de séparation excédant les 90 % sur une bande spectrale de 45 nm. Nous avons caractérisé l'indiscernabilité spectrale des photons intriqués à la sortie du séparateur de polarisation en réalisant une interférométrie Hong-Ou-Mandel. Nous avons mesuré une visibilité de 80 %, intrinsèquement limitée par la biréfringence de la source, ce qui montre que nous parvenons à séparer de manière déterministe les paires de photons directement sur puce sans altérer leur état quantique. Dans le second projet, nous exploitons la haute qualité et large bande spectral de l'état intriqué en polarisation généré par notre source SPDC AlGaAs pour construire un réseau de communication quantique reconfigurable. Nous avons tout d'abord montré la haute qualité de l'intrication en mesurant une fidélité à un état de Bell de plus de 95 % sur une bande spectrale de 26 nm. Nous avons ensuite combiné notre source avec des techniques de multiplexage flexible en longueur d'onde issues de l'industrie télécom afin de démontrer la distribution d'intrication dans un réseau reconfigurable comprenant jusqu'à 8 utilisateurs. Nous avons appliqué notre architecture à la distribution de clé quantique en montrant un faible taux d'erreurs et un haut taux de clé secrète sur une multitude de canaux fréquentiels en incluant les effets de taille finie, le tout à travers des lien fibrés à l'échelle métropolitaine. Enfin, nous avons illustré la flexibilité de notre architecture en adaptant l'allocation de bande passante à certaines contraintes du réseau telles que le déséquilibre entre les distances des liens inter-utilistateurs. L'ensemble de ces résultats montre le potentiel de la plateforme AlGaAs pour l'implémentation de technologies quantiques versatiles ainsi que leur intégration dans les futurs réseaux quantiques à grande échelle.
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.