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Faits d’actualité

Comment faire tourner un spin à volonté à l’aide de photons nonabsorbés

Janvier 2009

La construction d’ordinateurs quantiques repose sur la possibilité de coder des informations dans la variable spin, ce qui impose de savoir la faire tourner à volonté. Nous proposons un protocole original et léger dans sa réalisation, qui consiste à utiliser un seul faisceau laser nonabsorbé, en jouant simplement sur sa polarisation, ce qui est possible si l’invariance par rotation de l’espace est brisée par un tout petit champ magnétique non colinéaire au faisceau laser.

Les pulses laser ultracourts faits de photons nonabsorbés sont des outils de choix pour manipuler de façon ultrarapide le spin d’un électron piégé. En effet, un photon interagit avec la matière via les excitations de cette matière auxquelles il est couplé. Quand le photon n’est pas assez énergétique pour être absorbé, ces excitations, qui sont alors virtuelles, disparaissent dès que le laser s’arrête, ce qui permet des manipulations ultrarapides à l’aide de pulses pico voir femtoseconde.

Dans le cas d’un semiconducteur, ces excitations sont des excitons. Ils interagissent avec un électron piégé par interaction coulombienne mais aussi par le principe d’exclusion de Pauli si le spin de l’électron présent dans l’échantillon est le même que celui de l’exciton virtuel couplé au photon non absorbé. On a montré, il y a déjà une dizaine d’années, que cette dissymétrie entre les deux états de spin conduit à une précession de spin autour de la direction du faisceau laser quand celui-ci est polarisé circulairement, le sens de la précession changeant quand on renverse la polarisation du laser. Ce qui veut dire, en particulier, qu’un faisceau laser polarisé rectilignement n’agit pas sur le spin, même quand le laser est très puissant. On a utilisé cette idée pour générer les deux axes de précession nécessaires à une rotation arbitraire du spin. En effet, si on rajoute un champ magnétique, c’est lui qui contrôlera la précession du spin - même si ce champ est tout petit - quand la polarisation du laser est linéaire. Donc si ce champ magnétique n’est pas colinéaire au faisceau laser, on passera d’une précession autour du laser de pompe quand celui ci est polarisé circulairement, à une précession autour du champ magnétique quand la polarisation du laser devient rectiligne. En variant la polarisation du laser, on peut donc générer les deux axes de précession situés à 45 degrés, nécessaires à la construction des deux « portes d’Hadamard et de phase”, classiques en manipulations de spin.

D’un point de vue microscopique, ces précessions dans des directions arbitraires reposent sur des couplages avec les composantes σ et π du champ de photons qui sont rendues possibles dans des boites quantiques insérées dans un puits quantique, grâce à l’excitation de trous légers, comme il est montré sur la figure ci-dessous.

(a) Le petit champ magnétique B est dans la direction de croissance du puits alors que la direction du faisceau laser est le long de Z _(b) Si la polarisation des photons est telle qu’elle induit le même sens de precession que celui du champ magnétique, on voit par continuité que la rotation de l’axe de précession reste faible quand la polarization des photons passe de circulaire à linéaire
(c) Si par contre les sens de precession sont opposés, la rotation de l’axe de précession peut être presque égale à 1/4
(d) Les photons π sont couplés à la boite via l’excitation de trous légers (+1/2,-1/2)

Pour en savoir plus

Quantum Control of a Trapped Electron Spin in a Quantum Dot Using Photon Polarization
François Dubin, Monique Combescot, Gavin K. Brennen and Romain Melet
Phys. Rev. Lett., Volume 101, 217403, Issue 21 (2008)