C'est en 1946 que Purcell découvre que le taux d'émission spontanée d'un émetteur peut être modifié par son environnement. Depuis, plusieurs groupes de recherches ont cherché à placer toutes sortes d'émetteur (atomes, boîtes quantiques, molécules de colorant...) dans toutes sortes de cavité (cavité Fabry-Perot, cavité plasmonique, guide d'ondes...) afin de réduire le temps de vie de ces émetteurs. Par la suite, il a été compris que plusieurs des propriété d'émission d'un émetteur tel que la directivité d'émission, ou encore la polarisation d'émission peuvent être affectées par l'environnement de l'émetteur.Il est donc possible de contrôler les propriété d'émission de lumière d'un émetteur unique en contrôlant son environnement, mais est-il possible d'appliquer les même concepts non pas à un émetteur unique mais à une assemblée d'émetteurs? Peut-on réaliser des sources de lumières dont la direction, la polarisation ou le spectre d'émission serait contrôlé ?L'objectif de cette thèse est de concevoir de nouvelles sources de lumières composées d'une assemblée thermalisée d'émetteurs couplée à un résonateur, dont les propriétés d'émission sont contrôlées.Dans le cadre de ma thèse, nous avons utilisé un nouveau modèle théorique développé dans notre groupe de recherche, permettant de modéliser l'émission de lumière d'une assemblée d'émetteurs thermalisés en cavité. Nous avons modélisé l'émission de lumière d'une assemblée de nano-plaquettes couplée à un plasmon propagatif, ainsi que l'émission de lumière d'une assemblée de boîtes quantiques couplée à un mode diélectrique, en appliquant ce modèle. Nous avons enfin utilisé ce nouveau cadre théorique pour concevoir une source de lumière directive et polarisée, composée d'une assemblée de nano-plaquettes sur un réseau d'or.
C'est en 1946 que Purcell découvre que le taux d'émission spontanée d'un émetteur peut être modifié par son environnement. Depuis, plusieurs groupes de recherches ont cherché à placer toutes sortes d'émetteur (atomes, boîtes quantiques, molécules de colorant...) dans toutes sortes de cavité (cavité Fabry-Perot, cavité plasmonique, guide d'ondes...) afin de réduire le temps de vie de ces émetteurs. Par la suite, il a été compris que plusieurs des propriété d'émission d'un émetteur tel que la directivité d'émission, ou encore la polarisation d'émission peuvent être affectées par l'environnement de l'émetteur.Il est donc possible de contrôler les propriété d'émission de lumière d'un émetteur unique en contrôlant son environnement, mais est-il possible d'appliquer les même concepts non pas à un émetteur unique mais à une assemblée d'émetteurs? Peut-on réaliser des sources de lumières dont la direction, la polarisation ou le spectre d'émission serait contrôlé ?L'objectif de cette thèse est de concevoir de nouvelles sources de lumières composées d'une assemblée thermalisée d'émetteurs couplée à un résonateur, dont les propriétés d'émission sont contrôlées.Dans le cadre de ma thèse, nous avons utilisé un nouveau modèle théorique développé dans notre groupe de recherche, permettant de modéliser l'émission de lumière d'une assemblée d'émetteurs thermalisés en cavité. Nous avons modélisé l'émission de lumière d'une assemblée de nano-plaquettes couplée à un plasmon propagatif, ainsi que l'émission de lumière d'une assemblée de boîtes quantiques couplée à un mode diélectrique, en appliquant ce modèle. Nous avons enfin utilisé ce nouveau cadre théorique pour concevoir une source de lumière directive et polarisée, composée d'une assemblée de nano-plaquettes sur un réseau d'or.
L’émission spontanée de lumière par un émetteur n’est pas un processus intrinsèque. D’une part, il dépend de l’environnement électromagnétique. D’autre part, il dépend de la présence d’autres émetteurs avec lesquels il peut interagir et générer des interférences.Ces deux effets ont été, dans la plupart des cas, étudiés de manière indépendante. L'objectif de cette thèse est d'explorer comment contrôler l'émission de lumière en utilisant simultanément ces deux types d’effets.La première partie est consacrée à une étude théorique d'un système idéal de deux émetteurs couplés à un résonateur. Les deux émetteurs sont placés à proximité, et l’interaction dipôle-dipôle conduit à la formation de deux états, superradiant et sous-radiant. Le système que l’on obtient agit en tant que source et mémoire quantique de photons uniques, efficace et modulable. On étudie ensuite le cas d’un résonateur plasmonique, à symétrie spatiale antisymétrique, qui permet d’exciter efficacement l’état sous-radiant. On montre qu’on obtient ainsi une forte exaltation de l'effet Purcell, tout en conservant un état spectralement étroit.La deuxième partie explore un système comportant un très grand nombre d’émetteurs couplés à un plasmon de surface se propageant le long d’une interface métal air. Les émetteurs sont des nanoplaquettes, ou puits quantiques colloïdaux. Lorsqu’un film de nanoplaquettes est déposé sur le métal, il est possible d’obtenir un couplage fort. Ce couplage au plasmon de surface permet d'obtenir une émission directive et polarisée.
L’émission spontanée de lumière par un émetteur n’est pas un processus intrinsèque. D’une part, il dépend de l’environnement électromagnétique. D’autre part, il dépend de la présence d’autres émetteurs avec lesquels il peut interagir et générer des interférences.Ces deux effets ont été, dans la plupart des cas, étudiés de manière indépendante. L'objectif de cette thèse est d'explorer comment contrôler l'émission de lumière en utilisant simultanément ces deux types d’effets.La première partie est consacrée à une étude théorique d'un système idéal de deux émetteurs couplés à un résonateur. Les deux émetteurs sont placés à proximité, et l’interaction dipôle-dipôle conduit à la formation de deux états, superradiant et sous-radiant. Le système que l’on obtient agit en tant que source et mémoire quantique de photons uniques, efficace et modulable. On étudie ensuite le cas d’un résonateur plasmonique, à symétrie spatiale antisymétrique, qui permet d’exciter efficacement l’état sous-radiant. On montre qu’on obtient ainsi une forte exaltation de l'effet Purcell, tout en conservant un état spectralement étroit.La deuxième partie explore un système comportant un très grand nombre d’émetteurs couplés à un plasmon de surface se propageant le long d’une interface métal air. Les émetteurs sont des nanoplaquettes, ou puits quantiques colloïdaux. Lorsqu’un film de nanoplaquettes est déposé sur le métal, il est possible d’obtenir un couplage fort. Ce couplage au plasmon de surface permet d'obtenir une émission directive et polarisée.
L’émission spontanée de lumière par un émetteur n’est pas un processus intrinsèque. D’une part, il dépend de l’environnement électromagnétique. D’autre part, il dépend de la présence d’autres émetteurs avec lesquels il peut interagir et générer des interférences.Ces deux effets ont été, dans la plupart des cas, étudiés de manière indépendante. L'objectif de cette thèse est d'explorer comment contrôler l'émission de lumière en utilisant simultanément ces deux types d’effets.La première partie est consacrée à une étude théorique d'un système idéal de deux émetteurs couplés à un résonateur. Les deux émetteurs sont placés à proximité, et l’interaction dipôle-dipôle conduit à la formation de deux états, superradiant et sous-radiant. Le système que l’on obtient agit en tant que source et mémoire quantique de photons uniques, efficace et modulable. On étudie ensuite le cas d’un résonateur plasmonique, à symétrie spatiale antisymétrique, qui permet d’exciter efficacement l’état sous-radiant. On montre qu’on obtient ainsi une forte exaltation de l'effet Purcell, tout en conservant un état spectralement étroit.La deuxième partie explore un système comportant un très grand nombre d’émetteurs couplés à un plasmon de surface se propageant le long d’une interface métal air. Les émetteurs sont des nanoplaquettes, ou puits quantiques colloïdaux. Lorsqu’un film de nanoplaquettes est déposé sur le métal, il est possible d’obtenir un couplage fort. Ce couplage au plasmon de surface permet d'obtenir une émission directive et polarisée.
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%.
Cette thèse porte sur les effets d'optique quantique avec des atomes artificiels semiconducteurs. Dans un premiers temps, on fait une étude théorique où un émetteur unique est couplé à un guide d'onde unidimensionnel. Ce système permets la propagation libre de la lumière en préservent la sensitivité au niveau d'un photon unique, ce que a motivé des propositions pour faire des portes logiques et des transistors au photon unique. Un schéma pour observer l'émission stimulée au niveau d'un photon unique dans cet environnement unidimensionnel est proposé, en utilisant un émetteur excité (e.g. une boîte quantique) et une pompage classique (laser). On montre que l'émission se produit dans le mode stimulée et que la population atomique fait des oscillations de Rabi classiques. Ensuite, la dynamique complètement quantique est décrite, où un paquet avec un seul photon interagit avec l'atome initialement excité. Dans cette nouvelle condition, la stimulation est irréversible, i.e., les populations atomiques ne réalisent pas des oscillations. Cet effet est optimal dans le cas où le paquet est trois fois plus court qu'un paquet spontanément émis par le même atome. On démontre comment utiliser l'émission stimulée irréversible optimale pour produire des clones quantiques universels. Le même dispositif peut être utilisé aussi bien pour produire des paires des photons complètement intriqués, si le paquet du photon initial est suffisamment étendu. Dans un deuxième moment, nous nous sommes intéressés aussi au spectre d'émission spontanée d'une boîte quantique semiconductrice en couplage faible avec une microcavité. Ce système mets en évidence l'effet d'alimentation de la cavité, où la boîte émet spontanément à la fréquence de la cavité, même si cela est bien désaccordé. L'influence des phonons pour le mécanisme d'alimentation de la cavité est analysée. Une importante distorsion du spectre apparent de la cavité, induit pour la présence des phonons, est démontrée. Les effets étudiés sont topiques et peuvent être implémenté avec des dispositifs semiconducteurs de l'état de l'art.
Nous avons étudié expérimentalement des propriétés de la lumière émis par des objets individuels. Nos études ont essentiellement porté sur la fluorescence d'émetteurs individuels en vue de disposer d'une source de photons uniques déclenchée fonctionnant à température ambiante et utilisable pour la cryptographie quantique. Cette source repose sur l'excitation impulsionnelle d'un seul émetteur placé au foyer d'un objectif de microscope de grande ouverture numérique. Sur un système moléculaire organique, nous avons mis en évidence le caractère non-classique de la lumière émise. Nous avons étudié le bruit d'intensité en mesurant le paramètre de Mandel de la distribution temporelle de photons. Une réduction du bruit par rapport à une source de lumière classique équivalente est observée aux temps courts. La technique de mesure mise au point, qui repose sur l'acquisition de tous les instants d'arrivée des photons détectés, permet en outre de remonter à la dynamique de la molécule, fournissant ainsi une alternative à l'enregistrement direct des corrélations temporelles habituellement utilisé. Pour pallier l'inévitable photoblanchiment des molécules de colorants, difficilement compatible avec les applications, nous leur avons préféré un centre coloré unique dans un nanocristal de diamant. Ce dernier se comporte du point de vue de sa fluorescence comme un système moléculaire avec l'avantage supplémentaire d'être parfaitement photostable à température ambiante. Nous avons utilisé la source de photons uniques reposant sur ce centre coloré dans une expérience de distribution quantique de clé de cryptage avec une transmission des photons en espace libre. Nous avons montré qu'une telle source permettait encore le partage d'une clé sûre en présence d'une forte atténuation sur la ligne, là où les impulsions laser atténuées ne peuvent plus permettre un tel partage de secret. Nous décrivons également dans ce mémoire quelques résultats obtenus sur la génération de second harmonique par des nanocristaux organiques et l'utilisation d'un tel signal comme diagnostic du caractère cristallin du nano-objet ainsi détecté. Enfin, nous concluons sur le projet en cours portant sur la manipulation cohérente d'un spin individuel d'un centre coloré du diamant, pour le traitement quantique de l'information.