Dans le cadre de l'information et de la communication quantique, la nécessité d'avoir des photons uniques monomodes et à la demande se révèle cruciale. De récents travaux théoriques ont montré la possibilité de réaliser des portes logiques quantiques n'utilisant que de l'optique linéaire. C'est dans ce contexte que s'insère notre travail sur l'élaboration et l'utilisation de boîtes quantiques semi-conductrices II-VI comme “pistolet” à photons. Des expériences de dégroupement et d'interférences à 2 photons sont les premiers pas nécessaires pour caractériser notre source.
Dans le cadre de l'information et de la communication quantique, la nécessité d'avoir des photons uniques monomodes et à la demande se révèle cruciale. De récents travaux théoriques ont montré la possibilité de réaliser des portes logiques quantiques n'utilisant que de l'optique linéaire. C'est dans ce contexte que s'insère notre travail sur l'élaboration et l'utilisation de boîtes quantiques semi-conductrices II-VI comme “pistolet” à photons. Des expériences de dégroupement et d'interférences à 2 photons sont les premiers pas nécessaires pour caractériser notre source.
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'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 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.
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.
Vers des sources semi-conductrices de photons uniques et indiscernables, efficaces et faciles à utiliser, pour des applications quantiques L'amélioration constante des performances des sources semi-conductrices de photons uniques en ont fait des composants essentiels pour les applications quantiques nécessitant un flux élevé de photons uniques et indiscernables.Dans ce travail, nous utilisons des boîtes quantiques (BQ) couplées à des micro-piliers optiques ayant déjà prouvées leur capacité à atteindre ces exigences. Dans ce contexte, nous développons différentes techniques pour obtenir une source efficace, tout en améliorant la facilité d'utilisation pour les utilisateurs non experts.Nous détaillons donc le développement et l'optimisation d'un microscope confocal stable et compact pour collecter efficacement les photons uniques dans une fibre monomode pendant plusieurs jours. Ce dernier s'adapte à la fois à différents types de collection (espace libre ou fibré) ainsi qu’à différentes techniques d'excitation de la BQ: excitation sous fluorescence résonante, ou assistée par l'émission de phonons acoustiques longitudinaux (AL). Cette seconde manière d’exciter se base sur les interactions entre les transitions de la BQ et les phonons acoustiques longitudinaux grâce à un laser légèrement désaccordé en énergie. Ainsi, ce dernier est filtré spectralement, et tous les photons uniques émis sont collectés. Nous démontrons alors une brillance multipliée par trois, ainsi qu'une émission, linéairement polarisée, de photons uniques et indiscernables. Enfin, afin de fournir une source de photons uniques "plug-and-play", nous détaillons le développement d'un système complétement fibré afin de s'affranchir de positionneurs et d’un cryostat à faibles vibrations, volumineux et chers. Ainsi, nous proposons une méthode pour placer et fixer une fibre monomode au-dessus d'un pilier. Ce travail est toujours en cours, mais les premiers résultats montrent le potentiel de cette technique.
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.