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.
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 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'émergence de technologies quantiques est favorisée par les progrès dans la manipulation et le contrôle de qubits uniques. Ces technologies se construisent autour des principes fondamentaux de la physique quantique, que sont la superposition d'états, l'intrication et la mesure projective. Un réseau quantique reliant des qubits stationnaires via des canaux photoniques pourrait permettre de surpasser les protocoles de communication et de calcul classiques. Une interface entre des qubits matériels stationnaires et des qubits photoniques messagers serait alors indispensable pour faire circuler l'information quantique dans le réseau.Nous présentons ici le développement d'une interface à l'état solide, où un qubit de spin stationnaire, un électron ou un trou unique piégé dans une boîte quantique semi-conductrice, interagit avec un qubit photonique dans une cavité micropilier. L'interaction spin-photon se produit via la rotation Faraday induite sur la polarisation des photons réfléchis, et dépendante de l'état du spin. Une fois amplifié par la cavité, cet effet peut permettre de transférer la totalité de l'information depuis l'état du spin vers l'état de polarisation des photons, réalisant une interface spin-photon.Nous commençons par décrire la fabrication des dispositifs. Les propriétés de leur hétérostructure planaire déterminent, d'une part, la structure de bande, et donc la possibilité d'injecter électriquement ou optiquement une charge unique dans la boîte quantique. D'autre part, elles déterminent les spécificités optiques de la cavité, optimisée pour amplifier l'interaction spin-photon tout en extrayant une majeure partie des photons par le canal d'intérêt. Afin d'amplifier l'interaction lumière-matière, la technique de lithographie in-situ développée au C2N permet un couplage spatial et spectral de la cavité à la transition désirée de la boîte quantique.Les dispositifs ainsi réalisés sont dans un premier temps caractérisés par tomographie de polarisation, afin de reconstruire dans l'état stationnaire l'état de polarisation complet des photons réfléchis. Les rotations Faraday géantes déduites en font des candidats de choix pour une interface spin-photon. Nous estimons également l'intensité du bruit ainsi que les points de fonctionnement optimaux en termes d'énergie des photons incidents et de polarisations réfléchies associées aux états propres de spin.Ensuite, nous accédons à la dynamique des photons réfléchis grâce aux corrélations croisées mesurées dans des polarisations complémentaires, ce qui permet de remonter à la dynamique du spin avec lequel ils ont interagi. Les contributions des dynamiques de charge et de spin peuvent être isolées en fonction des polarisations mesurées, et les sources de bruits rapides et lents sont identifiées. L'ensemble de ces résultats expérimentaux est comparé aux prédictions théoriques via une simulation basée sur l'équation maîtresse, permettant de comprendre et caractériser les processus en jeu. Celle-ci reproduit une majorité des observations, et fournit une estimation de l'efficacité de l'interface spin-photon en quantifiant la projection de spin induite par la détection des photons.Les deux dispositifs étudiés révèlent les différences entre interfaces spin-photons basées sur un électron ou un trou et l'impact de l'hétérostructure qui les entoure. En effet, la faible sensibilité des trous aux fluctuations de spins nucléaires leur confère un temps de vie plus long que celui des électrons. Cependant, le choix d'une injection électrique des électrons dans la boîte quantique induit une meilleure stabilité que l'injection optique (choisie pour les trous) en les protégeant des bruits électriques lents. En parallèle, un régime radiatif transitoire rapide qui suit la projection de spin est susceptible de brouiller les dynamiques les plus rapides. Ceci oriente vers des dispositifs basés sur le spin d'un trou avec une injection électrique pour concrétiser des interfaces spin-photon idéales.
Génération et manipulation de photons uniques avec boîtes quantiques semi-conductrices 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.
Mesure de spins uniques à l'aide de photons uniques L'émergence de technologies quantiques est favorisée par les progrès dans la manipulation et le contrôle de qubits uniques. Ces technologies se construisent autour des principes fondamentaux de la physique quantique, que sont la superposition d'états, l'intrication et la mesure projective. Un réseau quantique reliant des qubits stationnaires via des canaux photoniques pourrait permettre de surpasser les protocoles de communication et de calcul classiques. Une interface entre des qubits matériels stationnaires et des qubits photoniques messagers serait alors indispensable pour faire circuler l'information quantique dans le réseau.Nous présentons ici le développement d'une interface à l'état solide, où un qubit de spin stationnaire, un électron ou un trou unique piégé dans une boîte quantique semi-conductrice, interagit avec un qubit photonique dans une cavité micropilier. L'interaction spin-photon se produit via la rotation Faraday induite sur la polarisation des photons réfléchis, et dépendante de l'état du spin. Une fois amplifié par la cavité, cet effet peut permettre de transférer la totalité de l'information depuis l'état du spin vers l'état de polarisation des photons, réalisant une interface spin-photon.Nous commençons par décrire la fabrication des dispositifs. Les propriétés de leur hétérostructure planaire déterminent, d'une part, la structure de bande, et donc la possibilité d'injecter électriquement ou optiquement une charge unique dans la boîte quantique. D'autre part, elles déterminent les spécificités optiques de la cavité, optimisée pour amplifier l'interaction spin-photon tout en extrayant une majeure partie des photons par le canal d'intérêt. Afin d'amplifier l'interaction lumière-matière, la technique de lithographie in-situ développée au C2N permet un couplage spatial et spectral de la cavité à la transition désirée de la boîte quantique.Les dispositifs ainsi réalisés sont dans un premier temps caractérisés par tomographie de polarisation, afin de reconstruire dans l'état stationnaire l'état de polarisation complet des photons réfléchis. Les rotations Faraday géantes déduites en font des candidats de choix pour une interface spin-photon. Nous estimons également l'intensité du bruit ainsi que les points de fonctionnement optimaux en termes d'énergie des photons incidents et de polarisations réfléchies associées aux états propres de spin.Ensuite, nous accédons à la dynamique des photons réfléchis grâce aux corrélations croisées mesurées dans des polarisations complémentaires, ce qui permet de remonter à la dynamique du spin avec lequel ils ont interagi. Les contributions des dynamiques de charge et de spin peuvent être isolées en fonction des polarisations mesurées, et les sources de bruits rapides et lents sont identifiées. L'ensemble de ces résultats expérimentaux est comparé aux prédictions théoriques via une simulation basée sur l'équation maîtresse, permettant de comprendre et caractériser les processus en jeu. Celle-ci reproduit une majorité des observations, et fournit une estimation de l'efficacité de l'interface spin-photon en quantifiant la projection de spin induite par la détection des photons.Les deux dispositifs étudiés révèlent les différences entre interfaces spin-photons basées sur un électron ou un trou et l'impact de l'hétérostructure qui les entoure. En effet, la faible sensibilité des trous aux fluctuations de spins nucléaires leur confère un temps de vie plus long que celui des électrons. Cependant, le choix d'une injection électrique des électrons dans la boîte quantique induit une meilleure stabilité que l'injection optique (choisie pour les trous) en les protégeant des bruits électriques lents. En parallèle, un régime radiatif transitoire rapide qui suit la projection de spin est susceptible de brouiller les dynamiques les plus rapides. Ceci oriente vers des dispositifs basés sur le spin d'un trou avec une injection électrique pour concrétiser des interfaces spin-photon idéales.
Action en retour et correspondance spin-photon avec une interface boîte quantique-cavité Le développement d'interfaces lumière-matière efficaces, utilisées comme des nœuds stationnaires permettant d'émettre et de recevoir des photons uniques, représente un enjeu majeur pour les communications quantiques et le calcul quantique distribué. Dans ce contexte, les spins à l'état solide ont émergé comme des candidats prometteurs, à condition d'être couplés de façon efficace à des microcavités optiques ou des guides d'ondes nanophotoniques. Notre approche s'appuie sur l'utilisation d'un dispositif formé par une boîte quantique semiconductrice placée dans une cavité de type micropillier, utilisée comme une interface spin-photon. Le dégrée du liberté du spin d'un seul électron, piégé dans la boîte quantique, interagit avec des photons incidents par des rotations de polarisation de type Kerr. De cette façon, la polarisation d'un photon réfléchi par le dispositif est modifiée selon l'état du spin, encodant l'information portée par le spin dans le degré de liberté de polarisation. L'objectif, pour une telle interface, est d'obtenir une correspondance parfaite entre l'état du spin et la polarisation d'un photon réfléchi. Dans ce manuscrit, nous explorons cette interaction pour démontrer un phénomène d'action en retour sur l'état du spin, induite par la détection d'un unique photon réfléchi dans une polarisation donnée. En exploitant une technique de tomographie de polarisation résolue en temps, nous montrons expérimentalement l'émergence d'un déséquilibre des populations des deux états de spin et/ou d'une cohérence induite par la détection d'un photon réfléchi. Nous mettons en évidence une signature expérimentale d'une correspondance spin-photon idéale, mettant en valeur le potentiel de cette plate-forme en tant qu'interface lumière-matière efficace. Nos résultats sont analysés via des simulations numériques de l'équation maîtresse qui décrit le système, et par un nouveau modèle analytique qui permet de mieux comprendre le phénomène d'action en retour. Ce travail ouvre la voie vers la démonstration de l'intrication entre un spin unique et un photon incident et vers la réalisation d'interfaces spin-photon efficaces et déterministes, exploitant des boîtes quantiques semiconductrices en microcavité.
Les boîtes quantiques semiconductrices se sont imposées comme une plateforme prometteuse pour le calcul quantique, car elles sont capables de générer des photons uniques à la demande avec un taux d'émission élevé et une haute indiscernabilité. De plus, en confinant un spin unique, elles permettent d'obtenir une interface spin-photon qui combine les avantages des qubits photoniques et des qubits de matière. Cette interface peut être utilisée pour générer de façon déterministe des états intriqués appelés états de cluster, qui sont des ressources cruciales pour le calcul quantique basé sur la mesure.Générer de façon efficace ces états intriqués spin-photon constitués de beaucoup de particules avec une haute fidélité est un défi majeur qui requiert un important degré de contrôle sur le spin. Dans cette thèse de doctorat, nous abordons ces défis et démontrons la génération de grands états de cluster comprenant jusqu'à neuf photons. En outre, nous introduisons des techniques optiques de rotation de spin pour générer des états appelés caterpillar. Ces techniques nous permettent également d'implémenter un découplage dynamique pour réduire les effets de décohérence liés à l'interaction hyperfine entre le spin résident et les spins nucléaires environnants.Enfin, nous introduisons une architecture hybride appelée SPOQC (calcul quantique spin optique) qui exploite les propriétés photoniques pour interconnecter des qubits de spin stationnaires et permettre le calcul quantique tolérant aux fautes. De plus, nous démontrons une première preuve de principe de l'implémentation d'une porte à deux qubits qui est critique pour cette architecture.