Ce memoire est une contribution a l'etude des coherence optique et coherence de spin dans les puits quantiques a semiconducteur. Les manifestations de ces coherences sont observees sur la luminescence au cours d'experiences de spectroscopie optique ultra-rapide. La conservation de la coherence de spin de l'electron ou de l'exciton conduit a la mesure precise des facteurs de lande de l'electron, du trou, ou de l'exciton, a l'aide d'experiences de battements quantiques de spin. La conservation de la coherence optique de l'exciton permet le controle coherent de la phase de l'etat quantique d'un systeme excitonique. Nous mesurons ainsi le temps de dephasage optique en etudiant la perte de la coherence. A forte densite, nous etudions les effets de l'interaction d'echange interexcitons. Outre l'impact de cette interaction sur la coherence optique, nous rapportons de nouvelles manifestations touchant a la largeur des raies spectrales, a leur decalage, ainsi qu'un phenomene de saturation de l'absorption.
Ce memoire est une contribution a l'etude des coherence optique et coherence de spin dans les puits quantiques a semiconducteur. Les manifestations de ces coherences sont observees sur la luminescence au cours d'experiences de spectroscopie optique ultra-rapide. La conservation de la coherence de spin de l'electron ou de l'exciton conduit a la mesure precise des facteurs de lande de l'electron, du trou, ou de l'exciton, a l'aide d'experiences de battements quantiques de spin. La conservation de la coherence optique de l'exciton permet le controle coherent de la phase de l'etat quantique d'un systeme excitonique. Nous mesurons ainsi le temps de dephasage optique en etudiant la perte de la coherence. A forte densite, nous etudions les effets de l'interaction d'echange interexcitons. Outre l'impact de cette interaction sur la coherence optique, nous rapportons de nouvelles manifestations touchant a la largeur des raies spectrales, a leur decalage, ainsi qu'un phenomene de saturation de l'absorption.
Ce memoire est une contribution a l'etude, par spectroscopie optique ultra-rapide, des phenomenes de coherence optique et de spin relatifs aux etats de polaritons de microcavite. Nous realisons le controle coherent temporel du spin et de la population polaritonique et nous montrons que l'efficacite des processus de diffusion susceptibles de detruire la coherence optique est affaiblie lorsque la particule presente un caractere photon marque. A faible densite, l'analyse des coherences de spin fait apparaitre un blocage de la relaxation du spin et de l'alignement du polariton a desaccord negatif. A plus forte densite, un mecanisme d'emission fortement non-lineaire est observe en regime de couplage fort. Cet effet est interprete en terme de luminescence parametrique stimulee, processus coherent qui repose sur une approche bosonique des polaritons en interaction via l'echange. Sous champ magnetique transverse, des battements quantiques de spin sont observes. Sous excitation resonante, une correlation de spin electron-trou au sein de la composante exciton du polariton est mise en evidence. Enfin, nous montrons que la valeur du module du facteur de Lande effectif transverse de l'electron au sein du polariton est d'autant plus forte que la quasi-particule presente un caractere exciton marque
Les boîtes quantiques semiconductrices de type InAs/GaAs ont des proprié- tés électroniques et optiques qui les rapprochent de l'atome unique. C'est dans ce contexte que se situe ce travail de thèse, qui s'intéresse à différents aspects de l'interaction lumière-matière dans ce type de système. Nous avons d'abord étudié le système couplé constitué du spin de l'électron et des spins nucléaires dans une boîte quantique unique, sous excitation non résonante. Pour ces expériences, nous avons utilisé des techniques de photoluminescence stationnaire résolues en polarisation : nous présentons des mesures complètes d'excitation de la photoluminescence, dans différentes conditions expérimentales. L'état de charge des boîtes quantiques fluctuant dans le temps d'une part et le couplage entre les spins nucléaires et le spin de l'électron via l'interaction hyperfine d'autre part sont à la base d'un effet original : il est possible de modifier optiquement les états propres de l'exciton neutre en l'absence de champ magnétique externe. Nos résultats expérimentaux sont confirmés par une spectroscopie de plus haute résolution, qui utilise un interféromètre de Fabry-Pérot placé en amont de la chaîne de détection. Nous présentons ensuite des expériences réalisées en régime cohérent, c'est-à-dire dans un temps plus court que le temps de déphasage du système, dans des échantillons à charge ajustable. Nous avons excité la boîte quantique à résonance (sur son état fondamental) avec des impulsions courtes (durée env. 1ps) limitées par la transformée de Fourier). En s'appuyant sur un schéma de détection original, nous détectons le signal de luminescence sur un état spectateur situé à quelques meV de la transition excitée. Ceci nous a permis de mettre en évidence les oscillations de Rabi de l'exciton dans une boîte quantique unique. Ensuite, en utilisant des impulsions à dérive de fréquence, nous montrons qu'il est possible de générer une population d'exciton de façon à la fois fidèle et robuste, en réalisant un passage adiabatique rapide. Ce résultat expérimental est une première étape en vue de l'implémentation puis de la manipulation d'un Q-bit dans une boîte quantique unique
Les boîtes quantiques semiconductrices de type InAs/GaAs ont des proprié- tés électroniques et optiques qui les rapprochent de l'atome unique. C'est dans ce contexte que se situe ce travail de thèse, qui s'intéresse à différents aspects de l'interaction lumière-matière dans ce type de système. Nous avons d'abord étudié le système couplé constitué du spin de l'électron et des spins nucléaires dans une boîte quantique unique, sous excitation non résonante. Pour ces expériences, nous avons utilisé des techniques de photoluminescence stationnaire résolues en polarisation : nous présentons des mesures complètes d'excitation de la photoluminescence, dans différentes conditions expérimentales. L'état de charge des boîtes quantiques fluctuant dans le temps d'une part et le couplage entre les spins nucléaires et le spin de l'électron via l'interaction hyperfine d'autre part sont à la base d'un effet original : il est possible de modifier optiquement les états propres de l'exciton neutre en l'absence de champ magnétique externe. Nos résultats expérimentaux sont confirmés par une spectroscopie de plus haute résolution, qui utilise un interféromètre de Fabry-Pérot placé en amont de la chaîne de détection. Nous présentons ensuite des expériences réalisées en régime cohérent, c'est-à-dire dans un temps plus court que le temps de déphasage du système, dans des échantillons à charge ajustable. Nous avons excité la boîte quantique à résonance (sur son état fondamental) avec des impulsions courtes (durée env. 1ps) limitées par la transformée de Fourier). En s'appuyant sur un schéma de détection original, nous détectons le signal de luminescence sur un état spectateur situé à quelques meV de la transition excitée. Ceci nous a permis de mettre en évidence les oscillations de Rabi de l'exciton dans une boîte quantique unique. Ensuite, en utilisant des impulsions à dérive de fréquence, nous montrons qu'il est possible de générer une population d'exciton de façon à la fois fidèle et robuste, en réalisant un passage adiabatique rapide. Ce résultat expérimental est une première étape en vue de l'implémentation puis de la manipulation d'un Q-bit dans une boîte quantique unique
Nous avons etudie les mecanismes responsables de la perte de coherence dans des heterostructures de semiconducteurs iii-v par une technique lineaire de correlation interferometrique de la diffusion rayleigh resonante. Cette technique repose sur l'excitation d'un echantillon par une paire d'impulsions femtosecondes, coherentes, de meme intensite et decalees dans le temps. Les interferences entre les polarisations creees dans l'echantillon par la paire d'impulsions produisent des interferences sur l'emission resonante du systeme. Leur contraste decroit avec le retard entre les impulsions sur une echelle de temps donnee par le temps de relaxation de coherence ou temps de dephasage t 2, de l'ordre de quelques picosecondes dans les heterostructures de semiconducteurs. Nous nous sommes d'abord interesses a des puits quantiques gaas/al xga 1 - xas peu profonds ou la concentration en aluminium dans l'alliage de barriere varie de 18 a 1,5%. Dans ces puits quantiques, les excitons sont dans un regime de confinement faible intermediaire entre les puits profonds (2d) et le materiau massif (3d). Grace a des experiences realisees pour differentes temperatures de l'echantillon, nous avons etudie l'influence de la transition 2d-3d sur les mecanismes de dephasage par phonons. Pour les phonons acoustiques, nous mettons en evidence une transition molle alors que pour les phonons optiques, nous observons une resonance de couplage pour le puits x=3,3% ou les excitons du puits et de la barriere sont distants d'un phonon optique. Nous avons par ailleurs etudie une microcavite de semiconducteurs en couplage fort. Dans cette heterostructure, les etats propres ne sont plus des excitons mais des etats mixtes exciton-photon, les polaritons de cavite. Dans ce systeme, la relaxation de coherence est gouvernee par des mecanismes de dephasage de types tres differents pour les composantes exciton et photon, respectivement. Tout d'abord, par des etudes a basse temperature en fonction du desaccord en energie entre les modes exciton et photon, nous mettons en evidence les specificites de la relaxation de coherence des polaritons de cavite. Nous avons developpe un calcul de la diffusion rayleigh resonante d'une microcavite a partir d'un modele semi-classique de dispersion lineaire et nous obtenons un excellent accord theorie/experience. Par ailleurs, par des etudes en fonction de la temperature, nous avons examine le dephasage des polaritons assiste par phonons acoustiques. Nous mettons en evidence les limites d'un modele semi-classique pour decrire la relaxation de coherence en fonction de la temperature et nous reproduisons nos donnees experimentales a l'aide d'un modele quantique de polaritons.
Optique quantique des atomes unidimensionnels, avec application aux interfaces spinphoton Les phénomènes quantiques ouvrent des possibilités nouvelles et révolutionnaires dans les domaines du calcul et de la cryptographie. Il est attendue, que des problèmes impossibles à résoudre avec des moyens classiques, peuvent être résolus par des ordinateurs quantiques, et la communication devient absolument sécurisée si elle est encodée dans un état de système quantique – un bit quantique. Un effort important a récemment été consacré à la recherche sur le transfert déterministe d’information entre photons et atomes, fonctionnant comme des bits quantiques volants et stationnaires respectivement. L’interaction entre ces deux composants est augmentée s’ils sont placés dans un milieu optique unidimensionnel, réalisant un système appelée “un atome 1D”. L’étude de ce milieu optique et des ses applications aux technologies quantiques constitue l’objectif de cette thèse.Tout d’abord, nous explorons l’interaction entre le champ lumineux et un atome 1D, en prenant une boîte quantique semi-conductrice dans un micropilier comme exemple. Nous étudions le contrôle cohérent de ce système avec des impulsions lumineuses afin de trouver un moyen optimal de contrôler son état, en faisant varier la puissance, la forme et la durée d’une impulsion, ainsi que la statistique de l’état quantique du champ lumineux. Nous étudions également l’impact de l’atome 1D sur l'état du champ réfléchi en fonction des paramètres du système expérimental.Nous poursuivons avec l’étude de l’état quantique du champ lumineux réfléchi, en nous concentrant sur sa pureté. C’est important pour transmettre fidèlement l’état superposition d’un bit stationnaire à un autre par la lumière, qui agit comme un bit quantique volant. Nous développons une méthode de caractérisation expérimentale de la pureté et l’appliquons à des données expérimentales, démontrant ainsi que la technologie moderne permet de créer des superpositions de haute pureté.Enfin, nous nous concentrons sur la lecture d’un qubit stationnaire basé sur un spin dans un environnement unidimensionnel. Nous étudions comment la lumière polarisée peut être utilisé pour cela, en montrant qu’il est possible de lire l’état de spin en détectant qu’un seul photon. Nous explorons différents écarts de ce régime optimal. Nous étudions également la décohérence de l’état de spin due à l’interaction avec le champ lumineux, et back-action de la mesure, montrant que l’état de spin peut être “gelé”. C’est une manifestation de l’effet Zeno quantique, qui permet la préparation du qubit dans un état arbitraire. Cela ouvre des perspectives pour la réalisation efficace de bits quantiques stationnaires basés sur des spins uniques incorporés dans un environnement électromagnétique unidimensionnel.
Les émetteurs quantiques sont des sources de photons uniques intéressantes pour les technologies quantiques, pouvant théoriquement émettre un photon unique sur demande. En 2019, il a été démontré que sous excitation résonnante, la cohérence imprimée entre l'état fondamental et l'état excité de l'émetteur quantique est transférée lors de l'émission spontanée en cohérence dans la base d'états de nombre de photons, créant une superposition cohérente de zéro et un photon. Cette démonstration a conduit à de nouvelles études théoriques sur le rôle de la cohérence en nombre de photons en optique quantique et en thermodynamique quantique. Dans cette thèse, nous étudions expérimentalement l'impact de la cohérence en nombre de photons sur certains fondamentaux de l'optique quantique - par exemple l'effet Hong-Ou-Mandel et les interférences de Ramsey - du point de vue de l'optique quantique et de la thermodynamique quantique. Nous démontrons que la cohérence en nombre de photons doit être prise en compte lors de la réalisation de mesures d'indiscernabilité et peut conduire à de nouveaux phénomènes d'interférence quantique qui peuvent altérer considérablement les performances de portes quantiques annoncées. Par ailleurs, nous démontrons que la cohérence occupe non seulement une place centrale en optique quantique, mais aussi dans le domaine de la thermodynamique quantique en proposant et mettant en œuvre des protocoles expérimentaux afin de mesurer les échanges énergétiques entre un émetteur quantique et la lumière. Nous montrons que la génération de cohérence dans un émetteur quantique peut conduire à un transfert spontané de travail vers le champ électromagnétique, qui est réduite par la décohérence de l'émetteur ainsi que par intrication cumulée émetteur-champ lors de l'émission spontanée. Cette dernière observation est approfondie en étudiant les transferts énergétiques entre un émetteur quantique et le vide du champ électromagnétique lors de l'interférence de Ramsey. Cette thèse pose ainsi les bases pour de nombreuses autres études expérimentales sur l'impact et l'utilisation des états de superposition en nombre de photons dans les protocoles d'optique quantique et l'énergétique de l'informatique quantique optique.