Modèles effectifs pour l'optique quantique à photon unique Au cours des dernières décennies, l’optique quantique a évolué des cavités à facteur de qualité élevé des premières expériences vers de nouvelles conceptions de cavités impliquant des modes à fuite. Bien que les modèles utilisés dans des expériences standard soient efficaces pour reproduire ces expériences, les fuites de photons sont la plupart du temps traitées de manière phénoménologique ce qui limite l'interprétation des résultats et ne permet pas une étude systématique. Dans ce manuscrit, nous adoptons une approche différente et, à partir des premiers principes, nous dérivons des modèles effectifs qui permettent la caractérisation complète d'un photon unique produit dans la cavité et se propageant dans l'espace libre. Nous proposons un schéma atome-cavité pour la génération de photons uniques et analysons rigoureusement le photon unique sortant dans les domaines temporel et fréquentiel pour différents régimes de couplage. Nous étendons l'analyse en étudiant des modèles de cavités plus réalistes, prenant notamment en compte la structure diélectrique multicouche des miroirs de la cavité. Nous évaluons la force du couplage dipolaire entre un seul émetteur et le champ de rayonnement dans une telle cavité optique. Notre modèle permet de faire varier librement la fréquence de résonance de la cavité, la fréquence de la transition lumineuse ou atomique, ainsi que la longueur d'onde associée à la mise en forme du miroir diélectrique. En particulier, nous montrons qu'en raison des effets induits par la nature multicouche du miroir de la cavité, même dans le régime de cavité haute finesse tel que défini habituellement, la description du système cavité-réservoir peut différer de celle où la structure du miroir est négligée. Pour les cavités très courtes, la longueur effective utilisée pour déterminer le volume du mode de la cavité et les longueurs définissant les résonances sont différentes, et diffèrent notablement de la longueur géométrique de la cavité. Ce n'est que pour des cavités beaucoup plus longues que leur longueur d'onde de résonance que le volume du mode se rapproche asymptotiquement de celui normalement supposé à partir de leur longueur géométrique. Sur la base de ces résultats, nous définissons une fonction de réponse généralisée de la cavité et une fonction de couplage cavité-réservoir, qui tiennent compte de la structure géométrique du miroir de la cavité. Cela nous permet de définir une réflectivité effective pour la cavité avec un miroir multicouche comme si elle avait une structure négligeable. Nous estimons l'erreur d'une telle définition en considérant des cavités de différentes longueurs et structures de miroir. Enfin, nous appliquons ce modèle pour caractériser un photon unique produit dans une telle cavité et se propageant à l'extérieur dans l'espace libre.
Modèles effectifs pour l'optique quantique à photon unique Au cours des dernières décennies, l’optique quantique a évolué des cavités à facteur de qualité élevé des premières expériences vers de nouvelles conceptions de cavités impliquant des modes à fuite. Bien que les modèles utilisés dans des expériences standard soient efficaces pour reproduire ces expériences, les fuites de photons sont la plupart du temps traitées de manière phénoménologique ce qui limite l'interprétation des résultats et ne permet pas une étude systématique. Dans ce manuscrit, nous adoptons une approche différente et, à partir des premiers principes, nous dérivons des modèles effectifs qui permettent la caractérisation complète d'un photon unique produit dans la cavité et se propageant dans l'espace libre. Nous proposons un schéma atome-cavité pour la génération de photons uniques et analysons rigoureusement le photon unique sortant dans les domaines temporel et fréquentiel pour différents régimes de couplage. Nous étendons l'analyse en étudiant des modèles de cavités plus réalistes, prenant notamment en compte la structure diélectrique multicouche des miroirs de la cavité. Nous évaluons la force du couplage dipolaire entre un seul émetteur et le champ de rayonnement dans une telle cavité optique. Notre modèle permet de faire varier librement la fréquence de résonance de la cavité, la fréquence de la transition lumineuse ou atomique, ainsi que la longueur d'onde associée à la mise en forme du miroir diélectrique. En particulier, nous montrons qu'en raison des effets induits par la nature multicouche du miroir de la cavité, même dans le régime de cavité haute finesse tel que défini habituellement, la description du système cavité-réservoir peut différer de celle où la structure du miroir est négligée. Pour les cavités très courtes, la longueur effective utilisée pour déterminer le volume du mode de la cavité et les longueurs définissant les résonances sont différentes, et diffèrent notablement de la longueur géométrique de la cavité. Ce n'est que pour des cavités beaucoup plus longues que leur longueur d'onde de résonance que le volume du mode se rapproche asymptotiquement de celui normalement supposé à partir de leur longueur géométrique. Sur la base de ces résultats, nous définissons une fonction de réponse généralisée de la cavité et une fonction de couplage cavité-réservoir, qui tiennent compte de la structure géométrique du miroir de la cavité. Cela nous permet de définir une réflectivité effective pour la cavité avec un miroir multicouche comme si elle avait une structure négligeable. Nous estimons l'erreur d'une telle définition en considérant des cavités de différentes longueurs et structures de miroir. Enfin, nous appliquons ce modèle pour caractériser un photon unique produit dans une telle cavité et se propageant à l'extérieur dans l'espace libre.
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.
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.
Cette thèse étudie l’optique quantique multimode, aussi bien du point de vue de la génération que celui de la détection. Elle s’articule autour de trois volets. Nous étudions la génération de lumière comprimée multimode dans une cavité. Pour cela nous considérons la forme la plus générale de hamiltonien quadratique, permettant entre autres de décrire l’utilisation de plusieurs pompes dans un matériau effectuant du mélange à quatre ondes. Une approche combinant fonctions de Green et décompositions de matrices symplectiques est décrite. Cette théorie générique est appliquée à des cas particuliers. Dans un premier temps, des exemples en basse dimension sont donnés. Ensuite, une configuration d’oscillateur paramétrique optique pompé de manière synchrone (SPOPO) est décrite et étudiée ; les résultats obtenus montrent que ce système a un comportement très différent de celui du SPOPO utilisant une non-linéarité d’ordre 2. Ces travaux ouvrent la voie à la réalisation de peignes de fréquences quantiques avec des micro-résonateurs en anneau gravés sur silicium. Un autre problème examiné est celui de prendre en compte l’information temporelle obtenue lors du clic d’un détecteur de photon unique. Pour cela nous utilisons un formalisme multimodal temporel afin d’expliciter les opérateurs décrivant la mesure. Les principaux défauts des détecteurs réels, dont la gigue temporelle, l’efficacité finie et les coups d’obscurité sont pris en compte. L’utilisation des opérateurs est illustrée par la description d’expériences usuelles de l’optique quantique. Enfin, on montre que la lecture du temps de clic du détecteur permet d’améliorer la qualité de l’état généré par une source de photons annoncés. En troisième partie nous présentons un schéma de génération d’intrication hybride entre variables continues et discrètes, pour laquelle la partie discrète est encodée temporellement. Ce schéma est analysé en détail vis-à-vis de sa résistance aux imperfections expérimentales.
Cette thèse étudie l’optique quantique multimode, aussi bien du point de vue de la génération que celui de la détection. Elle s’articule autour de trois volets. Nous étudions la génération de lumière comprimée multimode dans une cavité. Pour cela nous considérons la forme la plus générale de hamiltonien quadratique, permettant entre autres de décrire l’utilisation de plusieurs pompes dans un matériau effectuant du mélange à quatre ondes. Une approche combinant fonctions de Green et décompositions de matrices symplectiques est décrite. Cette théorie générique est appliquée à des cas particuliers. Dans un premier temps, des exemples en basse dimension sont donnés. Ensuite, une configuration d’oscillateur paramétrique optique pompé de manière synchrone (SPOPO) est décrite et étudiée ; les résultats obtenus montrent que ce système a un comportement très différent de celui du SPOPO utilisant une non-linéarité d’ordre 2. Ces travaux ouvrent la voie à la réalisation de peignes de fréquences quantiques avec des micro-résonateurs en anneau gravés sur silicium. Un autre problème examiné est celui de prendre en compte l’information temporelle obtenue lors du clic d’un détecteur de photon unique. Pour cela nous utilisons un formalisme multimodal temporel afin d’expliciter les opérateurs décrivant la mesure. Les principaux défauts des détecteurs réels, dont la gigue temporelle, l’efficacité finie et les coups d’obscurité sont pris en compte. L’utilisation des opérateurs est illustrée par la description d’expériences usuelles de l’optique quantique. Enfin, on montre que la lecture du temps de clic du détecteur permet d’améliorer la qualité de l’état généré par une source de photons annoncés. En troisième partie nous présentons un schéma de génération d’intrication hybride entre variables continues et discrètes, pour laquelle la partie discrète est encodée temporellement. Ce schéma est analysé en détail vis-à-vis de sa résistance aux imperfections expérimentales.
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.
En optique quantique en cavité, un atome interagit avec un ou plusieurs modes discrets du champ électromagnétique d'une cavité résonante. Les circuits supraconducteurs permettent d'explorer cette physique dans un régime de paramètres différents. On s'intéresse dans ce travail à la physique du système proposé par Blais et al. [1], dans lequel un qubit de charge joue le rôle de l'atome et un résonateur coplanaire remplace la cavité résonante tridimensionnelle. On étudie en particulier le cas où la fréquence de transition de l'atome est très différente de celle de la cavité. Dans cette situation, l'échange d'énergie entre l'atome artificiel et le résonateur est difficile. Ce régime est généralement modélisé par le modèle dispersif, obtenu par une théorie de perturbation au premier ordre. Dans ce modèle, la fréquence de l'atome artificiel qu'est le qubit de charge est modifiée par la présence du résonateur par les effets dits de Lamb et de Stark. Cependant, ce développement linéaire n'est plus valide si l'échange d'énergie est facilité par une grande constante de couplage ou par un nombre élevé de photons dans le résonateur. On s'intéresse ici à développer la théorie de perturbation qui donne le modèle dispersif à des ordres supérieurs. On développe deux modèles simples pour décrire le système en tenant compte des perturbations d'ordre supérieur. Pour le premier modèle, on utilise une transformation unitaire pour découpler le qubit du résonateur. Dans le deuxième modèle, on utilise une approche de type champ moyen pour obtenir des équations similaires aux équations de Bloch en résonance magnétique nucléaire. En étudiant ces deux modèles, on trouve que les photons du résonateur, qui ont une fréquence très éloignée de celle du qubit, agissent comme un bain thermique sur le qubit. On trouve aussi que les taux de relaxation et de déphasage effectifs du qubit sont modifiés par la présence de photons. On montre que ces effets peuvent diminuer le rapport signal sur bruit et ainsi réduire l'efficacité d'une mesure du qubit. On suggère enfin différentes façons de vérifier ces résultats théoriques par l'expérience.