Le siècle dernier a vu l'accomplissement de la mécanique quantique, du traitement de l'information etde l'optique intégrée. Aujourd'hui, ces trois domaines se rencontrent pour donner naissance à l'optiqueintégrée pour les communications quantiques. Un des enjeux aujourd'hui dans ce domaine est ledéveloppement de sources de photons unique aux longueurs d’onde des télécommunications fibrés.Durant ce travail de thèse les émetteurs étudiés sont des boîtes quantiques d’InAsP épitaxiés parEPVOM (Epitaxie en Phase Vapeur aux OrganoMétalliques). On démontrera que ces objets uniquessont capables d’émettre des états quantiques de la lumière grâce à une expérience de dégroupement dephotons. De plus la spectroscopie de ces objets sera déduite des études résolues en temps. Lapossibilité d’intégrer ces objets au sein de nanocavité de taille ultime permet de modifier leur tauxd’émission spontanée, ainsi les résultats obtenus grâce aux cavités métalliques permettent d’observerune accélération de l’émission spontanée sur une large bande spectrale. Finalement il a été mis enévidence une forte modification de l’émission d’un ensemble de boîtes quantiques entre 4K et 300K,en utilisant une technique originale basé sur l’effet laser.
Le siècle dernier a vu l'accomplissement de la mécanique quantique, du traitement de l'information etde l'optique intégrée. Aujourd'hui, ces trois domaines se rencontrent pour donner naissance à l'optiqueintégrée pour les communications quantiques. Un des enjeux aujourd'hui dans ce domaine est ledéveloppement de sources de photons unique aux longueurs d’onde des télécommunications fibrés.Durant ce travail de thèse les émetteurs étudiés sont des boîtes quantiques d’InAsP épitaxiés parEPVOM (Epitaxie en Phase Vapeur aux OrganoMétalliques). On démontrera que ces objets uniquessont capables d’émettre des états quantiques de la lumière grâce à une expérience de dégroupement dephotons. De plus la spectroscopie de ces objets sera déduite des études résolues en temps. Lapossibilité d’intégrer ces objets au sein de nanocavité de taille ultime permet de modifier leur tauxd’émission spontanée, ainsi les résultats obtenus grâce aux cavités métalliques permettent d’observerune accélération de l’émission spontanée sur une large bande spectrale. Finalement il a été mis enévidence une forte modification de l’émission d’un ensemble de boîtes quantiques entre 4K et 300K,en utilisant une technique originale basé sur l’effet laser.
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.
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
Interactions entre photons émis par des sources brillantes à base de boîtes quantiques en cavité 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 photons uniques sont idéaux pour transporter l’information quantique sous forme de qubits car ils présentent une très faible décohérence et se prêtent donc bien aux communications quantiques. Pour cette même raison, ils constituent une voie prometteuse pour le calcul quantique exploitant le paradigme MBQC (Measurement-Based Quantum Computing). La miniaturisation des fonctions de génération, encodage, manipulation et détection de photons uniques est essentielle pour la future industrialisation des applications quantiques. La photonique intégrée, combinée aux technologies standard CMOS, offre une voie privilégiée.Les Détecteurs de Photons Uniques à Nanofils Supraconducteurs (SNSPDs) discrets présentent une efficacité proche de 100% et de bonnes performances temporelles, mais leur intégration sur puce reste un défi. L'objet de cette thèse est le développement de SNSPDs intégrés de façon monolithique par couplage évanescent sur des guides d'onde en Si ou SiN sur des substrats en silicium de 200 mm de diamètre, afin d’éliminer les pertes de couplage avec les autres composants. Les guides en Si sont bien adaptés aux longueurs d’onde télécom exploitées pour les communications quantiques tandis que les guides en SiN permettent d'étendre la gamme de longueurs d’onde, notamment à 925 nm, qui est la longueur d’onde d’émission des sources de photons uniques à boîtes quantiques III-V, actuellement les plus performantes pour le calcul quantique photonique. Les guides en SiN sont également intéressants à 1550 nm car ils présentent de très faibles pertes de propagation.Quatre configurations de nanofils de différentes longueurs ont été conçues à 1550 et 925 nm, depuis la plus simple où le nanofil est en ligne droite centrée au-dessus du guide, jusqu’aux géométries les plus compactes et les moins sensibles au désalignement lithographique en forme de U, de S et de W.La technologie de fabrication a été développée selon un procédé entièrement compatible CMOS sur des substrats de 200 mm de diamètre, incluant la planarisation des guides en Si ou SiN, le dépôt d’une couche fine de NbN de bonne qualité, la structuration de nanofils de 100 nm de large et leur métallisation. La qualité cristalline du matériau supraconducteur NbN utilisé influence directement sa température critique (Tc). En poursuivant les études antérieures sur l'optimisation de films supraconducteurs ultrafins en NbN déposés sur du silicium cristallin, nous démontrons que l'introduction d'une couche sous-jacente de 10 nm d'AlN peut également accroître la température critique du NbN de plus de 2 K sur une couche amorphe en SiN. Dans les deux cas, l’AlN est suffisamment texturé pour orienter également la couche de NbN grâce à une relation épitaxiale entre AlN et NbN. Cette légère élévation de la Tc est importante car elle garantit le fonctionnement des détecteurs dans des cryostats compacts en cycle fermé à une température de 2.3 K. Les mesures de résistivité à température ambiante des nanofils montrent une excellente uniformité de fabrication de plus de 98 %.Une technique de packaging optique et électrique robuste a été développée de façon à pouvoir tester les détecteurs réalisés à 2.3K. Ceux-ci présentent des efficacités entre 70 et 80%, à 925 et 1550 nm, avec un bruit limité entre 10 à 100 Hz, des temps de récupération ne dépassant pas 5 ns, des taux de comptage maximum de plus de 100 MHz et des gigues temporelles inférieures à 100 ps. Ces résultats très prometteurs ouvrent la voie à l’intégration des SNSDPs dans des circuits de réception pour les protocoles de communication quantique ainsi que dans des circuits de calcul quantique photonique.
Les développements en information quantique nécessitent le contrôle et la manipulation d'états quantiques. Parmi les systèmes en physique du solide, les boîtes quantiques semiconductrices sont de bons candidats pour réaliser des bits quantiques. La taille nanométrique de ces objets conduit à un confinement spatial à trois dimensions des porteurs : le spectre d'énergie est discret comme celui d'un atome. Ces objets sont étudiés pour leurs propriétés optiques, et notamment pour l'émission de photons uniques et indiscernables, qui sont des états quantiques de la lumière. Le travail de cette thèse consiste à étudier des boîtes quantiques uniques d'InAs/GaAs excitées à la résonance de leur transition optique, à l'aide d'impulsions lumineuses picosecondes. Grâce à une géométrie unidimensionnelle en guide d'onde, il est possible de s'affranchir de la lumière diffusée du laser d'excitation, et d'observer la luminescence résonante des boîtes. On atteint alors le régime d'oscillations de Rabi qui permet d'inscrire dans la boîte une superposition cohérente du système à deux niveaux, c'est un bit quantique. Cependant, le couplage entre la boîte et son environnement modifie les propriétés de cohérence des boîtes quantiques, limitant la possibilité de réaliser des opérations sur les qubits. Deux phénomènes principaux de décohérence ont été modélisés : l'interaction avec les phonons longitudinaux acoustiques de la matrice environnante de la boîte et le couplage avec le mode électromagnétique. Nous avons enfin étudié la statistique d'émission de photons des boîtes quantiques, et nous montrons qu'elles constituent de bonnes sources de photons uniques indiscernables, à la demande.
Les récents progrès de la physique quantique en matière de manipulations d'objets quantiques individuels et/ou collectifs promettent une révolution dans les domaines de la communication, de la métrologie, de l'informatique et de la simulation. Plus spécifiquement, l'avènement des nouvelles technologies quantiques repose sur la génération, la manipulation et le contrôle d'états quantiques tels que l'intrication. Découverte il y a plus de 30 ans, la lumière comprimée s'est imposée comme un outil de choix pour la mise en œuvre des technologies quantiques, mais son utilisation souffre encore aujourd'hui d'un manque crucial de compacité, freinant ainsi la croissance de certaines réalisations en photonique quantique.Pour pallier ce problème, nous avons développé une plateforme photonique compacte de génération et de détection de lumière comprimée aux longueurs d’ondes des télécommunications. Elle repose sur le mariage entre les composants à fibre optique standards à 1550 nm et de l'optique intégrée sur niobate de lithium (LiNbO3), permettant d'obtenir un montage compact, facilement reconfigurable sans qu'aucun alignement ne soit nécessaire (plug-and-play). Grâce à cette approche, nous avons pu mesurer jusqu’à -2 dB de compression pour une puissance de pompe continue de 40 mW, ouvrant ainsi la voie vers la réalisation de systèmes compacts de variables continues en dehors du cadre des laboratoires.Afin de mieux comprendre les limites de notre système expérimental, nous nous sommes également intéressés aux propriétés photoréfractives du niobate de lithium, c'est-à-dire à la variation de son indice optique en fonction de l'intensité lumineuse qui le traverse. En régime de variables continues, là où les puissances optiques peuvent être relativement élevées, ces effets peuvent durablement affecter le fonctionnement des circuits photoniques intégrés sur LiNbO3. Pour cette raison, une étude précise de la photoréfraction a également été accomplie afin d’optimiser la génération et la détection de la lumière comprimée sur puce LiNbO3.