Emission quantique spontanée : modifications induites par l'environnement Le contrôle de l’émission spontanée d’émetteurs quantiques est d’une importance capitale dans le développement des futures technologies quantiques. La base de ces applications consiste en la manipulation d’atomes, de molécules ou d’atomes "artificiels", comme sources élémentaires de lumière, et en l’exploitation de la nature quantique de la lumière émise, constituée de photons uniques. En parallèle des développements récents des techniques de nanofabrication et des nanotechnologies, une compréhension théorique des mécanismes d’interaction fondamentaux entre émetteurs quantiques et leur environnement devient également capitale. Dans cette thèse, nous considérons l’émission spontanée dans trois paradigmes différents, traitant de la modification de ce processus due à l’environnement : le problème du "monitorage" de l’émission spontanée, l’interaction d’émetteurs quantiques avec des résonances optiques supportées par des structures nanométriques placées à proximité et l’interaction lointaine entre des émetteurs et des méta-surfaces. Nous présentons et utilisons différents formalismes pour modéliser ces différentes situations, qui interfacent différents domaines de la physique comme l’optique quantique et la nanophotonique. Nous illustrons chaque situation par des prédictions théoriques réalistes sur comment l’émission spontanée est modifiée. Pour chacune de ces prédictions, nous faisons des propositions expérimentales pour de futures confirmations de ces effets, afin d’améliorer notre compréhension et le contrôle de ces processus fondamentaux d’interaction lumière-matière
Emission quantique spontanée : modifications induites par l'environnement Le contrôle de l’émission spontanée d’émetteurs quantiques est d’une importance capitale dans le développement des futures technologies quantiques. La base de ces applications consiste en la manipulation d’atomes, de molécules ou d’atomes "artificiels", comme sources élémentaires de lumière, et en l’exploitation de la nature quantique de la lumière émise, constituée de photons uniques. En parallèle des développements récents des techniques de nanofabrication et des nanotechnologies, une compréhension théorique des mécanismes d’interaction fondamentaux entre émetteurs quantiques et leur environnement devient également capitale. Dans cette thèse, nous considérons l’émission spontanée dans trois paradigmes différents, traitant de la modification de ce processus due à l’environnement : le problème du "monitorage" de l’émission spontanée, l’interaction d’émetteurs quantiques avec des résonances optiques supportées par des structures nanométriques placées à proximité et l’interaction lointaine entre des émetteurs et des méta-surfaces. Nous présentons et utilisons différents formalismes pour modéliser ces différentes situations, qui interfacent différents domaines de la physique comme l’optique quantique et la nanophotonique. Nous illustrons chaque situation par des prédictions théoriques réalistes sur comment l’émission spontanée est modifiée. Pour chacune de ces prédictions, nous faisons des propositions expérimentales pour de futures confirmations de ces effets, afin d’améliorer notre compréhension et le contrôle de ces processus fondamentaux d’interaction lumière-matière
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.
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.
Le contrôle des émetteurs quantiques (atomes, molécules, boîtes quantiques, etc) et de l'interaction lumière-matière est un enjeu majeur pour la conception des systèmes pour le traitement optique de l'information à l'échelle quantique. Il est possible par exemple de contrôler la dynamique d'un émetteur couplé à un mode de cavité à haut facteur de qualité par le biais de l'électrodynamique quantique en cavité (cQED). Les structures plasmoniques présentent un intérêt de plus en plus important pour le contrôle quantique à l’échelle nanométrique car elles permettent un confinement de la lumière au-delà de la limite de diffraction. Cependant, les applications de la plasmonique quantique apparaissent limitées en pratique à cause de la présence intrinsèque de nombreux modes dissipatifs, ce qui complique la description et l’interprétation de l’interaction et introduit une forte décohérence dans le système. Le sujet de cette thèse porte sur la description quantique du couplage entre un ou plusieurs émetteurs et les plasmons de surfaces localisés d'une nano-particule métallique. Ce travail théorique et numérique repose sur un modèle effectif dédié à la plasmonique quantique faisant le lien avec l'électrodynamique quantique en cavité. L'Hamiltonien effectif sous-jacent est construit sur la décomposition modale de la densité d'état locale de l'émetteur en présence de la nanoparticule impliquant des pseudo-modes plasmoniques discrets avec pertes. L’introduction d'un environnement permet d'établir une équation maîtresse effective où les modes radiatifs sont à l'origine des profils de résonance de type Fano que l'on peut observer lorsque les dimensions de la particule deviennent suffisamment importantes. Ce modèle effectif est utilisé pour décrire l'émission collective d'un ensemble d'émetteurs en régime de couplage faible. Selon la configuration spatiale des émetteurs, nous avons mis en évidence une exaltation (effet Purcell) ou un blocage de l'émission superradiante. Nous étudions également le régime de couplage fort pour lequel le système hybride émetteurs+nano-particule est décrit en représentation de l'atome habillé.
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.
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.