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Les boîtes quantiques : des qubits performants ?

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L’interaction des excitations électroniques avec son environnement dans une boîte quantique semiconductrice est une des causes principales de perte de cohérence des états. Elle constitue à l’heure actuelle une importante limitation, si l’on souhaite utiliser les boîtes quantiques comme briques élémentaires pour des protocoles en information quantique ou des expériences plus fondamentales en optique quantique. Comprendre les mécanismes mis en jeu et pouvoir les contrôler et un enjeu important de la recherche dans ce domaine. Des chercheurs de l’équipe « Nanostructures et systèmes quantiques » de l’INSP, ont récemment mis en évidence, grâce à des expériences de luminescence résonnante avec des impulsions lumineuses picosecondes, différents mécanismes de couplage, notamment aux phonons acoustiques, mais aussi à l’environnement électromagnétique spécifique de chaque boîte. Ces mécanismes de couplage induits par l’excitation conduisent à une perte de cohérence notable des états adressés et expliquent par exemple l’amortissement habituellement observé des oscillations de Rabi.

Les « bits quantiques ou qubits » sont à la base constitués de simples systèmes à deux niveaux. Le qubit est la superposition cohérente de ces deux niveaux, qu’il faut être capable de créer, contrôler et manipuler, tout cela pendant un certain temps, de préférence le plus long possible, mais limité en réalité par le temps de cohérence des excitations électroniques. Plusieurs systèmes physiques sont à l’heure actuelle étudiés activement (atomes, ions, supraconducteurs…) dont les boîtes quantiques à base de matériaux semiconducteurs. Leur spectre discret en énergie permet d’une part de définir un système à deux niveaux et d’autre part les techniques de fabrication très avancées permettent d’envisager leur possible intégration dans des dispositifs. Cependant, dans les systèmes solides, l’interaction à l’environnement est très importante et pour les boîtes quantiques le couplage aux phonons et/ou la présence de défauts et de charges conduisent à une perte de cohérence de phase de l’état électronique excité. Alors, le temps de cohérence n’est plus limité uniquement par la durée de vie radiative, comme dans le cas d’un atome.

Les meilleures conditions pour préserver la cohérence, consistent à étudier à la résonance l’émission d’une boîte quantique unique. Le système à deux niveaux est défini par l’état fondamental |0_⟩, sans excitation électronique, et l’état excité |1_⟩, qui correspond à l’état d’une paire électron-trou photo-créée dans la boîte. Une superposition cohérente de ces deux états peut être réalisée à l’aide d’impulsions lumineuses picosecondes. Les études à la résonance sont délicates du fait que l’énergie d’excitation est identique à celle de l’émission. Cela a conduit à développer au laboratoire une expérience originale de microphotoluminescence résonante et résolue en temps, à basse température. En collaboration avec le LPN à Marcoussis où les échantillons sont élaborés, les boîtes quantiques InAs/GaAs sont insérées dans un guide d’onde unidimensionnel (Fig. 1). Ainsi la lumière d’excitation se propage le long du guide et la luminescence d’une boîte est collectée dans une direction perpendiculaire à l’excitation. Cela a permis de réaliser l’oscillation de Rabi à la résonance du système à deux niveaux ainsi que le contrôle cohérent à l’aide de deux impulsions dont on contrôle le délai et la phase relative. Alors que la durée des impulsions (quelques picosecondes) est très courte devant les temps caractéristiques du système (le temps de vie est typiquement de 800 ps et le temps de cohérence au mieux du même ordre de grandeur), un amortissement rapide des oscillations a été observé, dès la deuxième période, conforme aux résultats obtenus par d’autres groupes utilisant d’autres techniques. Cela montre qu’une importante perte de cohérence dépendant de la puissance d’excitation se produit, elle est induite par l’excitation.

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Figure 1
Schéma de la structure de l’échantillon : les rubans de l’ordre du micron sont gravés à la surface de l’échantillon, formant ainsi des guides d’onde unidimensionnels. Les impulsions résonantes avec la transition dans la boîte, créent une population qui va osciller entre le niveau 0 et 1 au fur et à mesure que l’aire de l’impulsion augmente. On reconstitue l’oscillation de Rabi en détectant l’intensité de la luminescence en fonction de la puissance d’excitation.

Les expériences d’oscillations de Rabi ont été corrélées avec des mesures directes du temps de cohérence en fonction de la température (entre 10 et 30 K) dans une boîte quantique unique. Il a été mis en évidence que le terme d’amortissement a une dépendance quadratique avec la pulsation de Rabi et varie linéairement avec la température. Ceci est caractéristique d’un couplage résonant non-linéaire entre le système à deux niveaux et le bain de phonons acoustiques de la matrice de GaAs.

La présence des boîtes dans un environnement électromagnétique particulier, comme celui du guide unidimensionnel étudié ou d’une microcavité optique, peut conduire à des couplages efficaces modifiant ainsi le taux d’émission spontanée dans certaines directions privilégiées. Cela se traduit sur les oscillations de Rabi par un amortissement encore plus efficace pour certaines boîtes. Ces résultats ont été corroborés par des mesures de temps de vie radiatif en fonction de la puissance d’excitation montrant que celui-ci décroît comme l’inverse du carré de la pulsation de Rabi (Fig. 2).

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Figure 2
(a) Oscillation de Rabi et (b) luminescence résolue en temps à la résonance d’une même boîte quantique. On observe que le temps de vie radiatif varie avec la puissance d’excitation. Cela conduit à un amortissement de l’oscillation encore plus important que dans le cas de la figure 1.

L’interprétation proposée montre qu’un couplage résonant entre le système à deux niveaux et le mode guidé unidimensionnel se met en place, dépendant du nombre de photons et conduisant à une accélération du taux d’émission spontanée. Cela se reflète comme une perte de population du système qui se désexcite par un canal supplémentaire et se traduit par un amortissement de l’oscillation de Rabi. Ce couplage est fortement dépendant de la position de la boîte dans le mode et n’est mis en évidence que pour certaines boîtes.

Malgré ces limitations, les boîtes quantiques peuvent présenter un bon rapport temps de cohérence sur temps de vie, permettant d’en faire des sources à photons uniques indiscernables. C’est vers cette voie que s’orientent les recherches actuelles.

Référence
« Excitation induced dephasing in a resonantly driven InAs/GaAs quantum dot » L. Monniello, C. Tonin, R. Hostein, A. Lemaitre, A. Martinez, V. Voliotis, R. Grousson, Physical Review Letter. 111, 026403 (2013)

Contact
valia.voliotis insp.jussieu.fr