La réalisation d’un réseau de communication quantique nécessite la réalisation d’interfaces efficaces entre des qubits stationnaires et messagers. Une approche prometteuse pour cela est le couplage déterministe du spin d’une charge confinée dans une boîte quantique avec une cavité micro-pilier. Nous nous intéressons plus particulièrement ici au développement de portes logiques photoniques, où l’état de polarisation d’un seul photon incident est manipulé par un seul spin.Dans ce contexte, on s’intéresse d’abord à la rotation de polarisation induite par un dispositif de boîte quantique couplée à un micro-pilier. Nous avons développé une technique de tomographie de polarisation,permettant d’analyser la matrice densité de polarisation (représentée dans la sphère de Poincaré) des photons réfléchis. On démontre une excellente efficacité d’injection des photons dans la cavité ainsi qu’une rotation de polarisation macroscopique induite par une seule boîte quantique neutre.Pour réaliser des portes logiques photoniques efficaces, l’état fondamental de la boîte quantique doit correspondre à une boîte quantique chargée, où la charge confinée doit avoir un degré de liberté de spin,manipulable optiquement. On démontre donc la réalisation déterministe d’interfaces spin-photon, qui peuvent notamment être utilisées comme des sources de photons uniques comparables à l’état de l’art.D’autre part, nous utilisons la rotation de polarisation macroscopique induite par un spin unique pour démontrer l’action en retour induite sur l’état de spin par un unique photon détecté. Ce phénomène démontre les fortes corrélations entre l’état de spin et la polarisation d’un photon que l’on est capable d’obtenir avec de telles interfaces.Ces résultats vont dans le sens de la réalisation d’une intrication entre un spin et un photon émis par une source extérieure, ouvrant la voie vers la réalisation de portes logiques entre photons.
La réalisation d’un réseau de communication quantique nécessite la réalisation d’interfaces efficaces entre des qubits stationnaires et messagers. Une approche prometteuse pour cela est le couplage déterministe du spin d’une charge confinée dans une boîte quantique avec une cavité micro-pilier. Nous nous intéressons plus particulièrement ici au développement de portes logiques photoniques, où l’état de polarisation d’un seul photon incident est manipulé par un seul spin.Dans ce contexte, on s’intéresse d’abord à la rotation de polarisation induite par un dispositif de boîte quantique couplée à un micro-pilier. Nous avons développé une technique de tomographie de polarisation,permettant d’analyser la matrice densité de polarisation (représentée dans la sphère de Poincaré) des photons réfléchis. On démontre une excellente efficacité d’injection des photons dans la cavité ainsi qu’une rotation de polarisation macroscopique induite par une seule boîte quantique neutre.Pour réaliser des portes logiques photoniques efficaces, l’état fondamental de la boîte quantique doit correspondre à une boîte quantique chargée, où la charge confinée doit avoir un degré de liberté de spin,manipulable optiquement. On démontre donc la réalisation déterministe d’interfaces spin-photon, qui peuvent notamment être utilisées comme des sources de photons uniques comparables à l’état de l’art.D’autre part, nous utilisons la rotation de polarisation macroscopique induite par un spin unique pour démontrer l’action en retour induite sur l’état de spin par un unique photon détecté. Ce phénomène démontre les fortes corrélations entre l’état de spin et la polarisation d’un photon que l’on est capable d’obtenir avec de telles interfaces.Ces résultats vont dans le sens de la réalisation d’une intrication entre un spin et un photon émis par une source extérieure, ouvrant la voie vers la réalisation de portes logiques entre photons.
Interface spin-photon en cavité La réalisation d’un réseau de communication quantique nécessite la réalisation d’interfaces efficaces entre des qubits stationnaires et messagers. Une approche prometteuse pour cela est le couplage déterministe du spin d’une charge confinée dans une boîte quantique avec une cavité micro-pilier. Nous nous intéressons plus particulièrement ici au développement de portes logiques photoniques, où l’état de polarisation d’un seul photon incident est manipulé par un seul spin.Dans ce contexte, on s’intéresse d’abord à la rotation de polarisation induite par un dispositif de boîte quantique couplée à un micro-pilier. Nous avons développé une technique de tomographie de polarisation,permettant d’analyser la matrice densité de polarisation (représentée dans la sphère de Poincaré) des photons réfléchis. On démontre une excellente efficacité d’injection des photons dans la cavité ainsi qu’une rotation de polarisation macroscopique induite par une seule boîte quantique neutre.Pour réaliser des portes logiques photoniques efficaces, l’état fondamental de la boîte quantique doit correspondre à une boîte quantique chargée, où la charge confinée doit avoir un degré de liberté de spin,manipulable optiquement. On démontre donc la réalisation déterministe d’interfaces spin-photon, qui peuvent notamment être utilisées comme des sources de photons uniques comparables à l’état de l’art.D’autre part, nous utilisons la rotation de polarisation macroscopique induite par un spin unique pour démontrer l’action en retour induite sur l’état de spin par un unique photon détecté. Ce phénomène démontre les fortes corrélations entre l’état de spin et la polarisation d’un photon que l’on est capable d’obtenir avec de telles interfaces.Ces résultats vont dans le sens de la réalisation d’une intrication entre un spin et un photon émis par une source extérieure, ouvrant la voie vers la réalisation de portes logiques entre photons.
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.
Rotation de polarisation géante avec une interface spin-photon à base de boîtes quantiques semiconductrices Le développement d'une interface entre qubits stationnaires et qubits messagers offre de nombreuses possibilités pour les communications quantiques, via l'échange d'information entre qubits, et pour le calcul quantique, via la réalisation de portes logiques et/ou d'états quantiques complexes, multi-intriqués. Dans ce contexte, nous étudions un système de boîte quantique semiconductrice placée dans une cavité optique de type micropilier. Un tel système permet de piéger un électron dont le spin peut interagir avec un photon incident : la polarisation du photon réfléchi est alors modifiée selon l'état de spin de l'électron. L'objectif d'une telle interface est d'obtenir une correspondance parfaite entre l'état de spin et l'état de polarisation du photon après interaction avec la boîte quantique. Cela se traduit par une rotation géante de polarisation des photons réfléchis par le système étudié, rotation dont la direction dépend de l'état de spin. Nous avons donc développé une expertise dans la génération d'états de polarisation spécifiques, ainsi que dans la mesure d'états de polarisation arbitraires, afin d'analyser la réponse en polarisation du dispositif boîte quantique-micropilier. Nous démontrons ensuite la possibilité d'obtenir une rotation de polarisation géante qui dépend de l'état de spin de l'électron. La mesure de cette rotation est permise par une tomographie de polarisation complète. Enfin, nous étudions l'efficacité de la projection de l'état du spin induite par la détection d'un photon réfléchi par le système, afin de caractériser les performances de notre interface spin-photon. Cette étude est réalisée grâce à des corrélations croisées entre évènements de détection, qui sont mesurés dans des bases de polarisations complémentaires. Ces mesures permettent aussi de remonter à la dynamique du spin après interaction. Nous présentons également une boîte à outils de simulation numérique, basée sur la résolution de l'équation maîtresse, qui permet de prédire l'ensemble des résultats expérimentaux et de comprendre les différents processus en jeu. Cet outil de simulation numérique permet également de quantifier les grandeurs décrivant notre boîte quantique et notre cavité. Ce travail ouvre des possibilités vers la réalisation d'interfaces spin-photon efficaces, construites à partir de boîtes quantiques chargées en cavité.
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.
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.
Les boîtes quantiques semiconductrices intégrées dans des cavités photoniques sont des émetteurs prometteurs de photons uniques pour les technologies quantiques photoniques. En outre, une boîte quantique peut confiner un porteur de charge unique (électron ou trou) dont le spin peut être utilisé comme mémoire locale, ce qui ouvre la voie à des applications intéressantes. En 2009, il a été proposé d'utiliser ces boîtes quantiques chargées pour émettre de grands états intriqués comprenant le spin confiné et de nombreux photons. Ces états dits de "cluster" présentent un intérêt particulier pour l'informatique quantique photonique et basée sur la mesure. Le défi de la génération de ces états quantiques réside dans la combinaison de la production efficace de photons avec le contrôle du spin confiné : si les deux aspects ont été démontrés séparément, leur combinaison ne l'a pas encore été jusqu'à présent. Dans cette thèse, nous utilisons des boîtes quantiques semi-conductrices pour générer expérimentalement des états intriqués de spin et de photons. Pour ce faire, nous nous appuyons sur une technique d'excitation hors résonance, assistée par phonon, pour générer des photons uniques de manière efficace, tout en préservant l'accès au spin par le biais de la polarisation des photons émis. Nous explorons la physique des spins uniques dans la boîte quantique, en caractérisant en particulier leurs propriétés de cohérence. Nous utilisons ensuite une boîte quantique chargée couplée à une cavité pour générer des états intriqués tripartites comprenant le spin et deux photons indiscernables, démontrant ainsi pour la première fois la mise en œuvre du protocole de 2009 avec une boîte quantique dans une cavité tridimensionnelle. Enfin, nous explorons également l'utilisation d'une boîte quantique neutre pour générer des états quantiques photoniques hyperencodés, où un photon unique est dans une superposition de plusieurs degrés de liberté.