Institut des
NanoSciences de Paris
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Soutenance de thèse de Léonard Monniello - 19 janvier 2015 à 14 h

Léonard Monniello, équipe Nanostructures et systèmes quantiques

Lundi 19 janvier 2015 à 14 h - INSP - 4 place Jussieu - 75252 PARIS Cedex 05 - Barre 22-23, 3e étage, salle 317

Excitation résonante de boîtes quantiques pour la génération d’états non classiques de la lumière

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Résumé

Les développements en information quantique nécessitent le contrôle et la manipulation d’états quantiques. Parmi les systèmes en physique du solide, les boîtes quantiques à base de matériaux semiconducteurs sont de bons candidats pour réaliser des bits quantiques. D’une part, la taille nanométrique de ces objets conduit à un confinement spatial à trois dimensions des porteurs, de telle sorte que le spectre d’énergie est discret comme celui d’un atome. D’autre part, on peut les intégrer facilement dans des dispositifs. Ces objets sont étudiés pour leurs propriétés optiques, et notamment pour l’émission de photons uniques et indiscernables, qui sont des états quantiques de la lumière. Le travail de cette thèse consiste à étudier des boîtes quantiques uniques d’InAs/GaAs excitées à la résonance de leur transition optique, à l’aide d’impulsions lumineuses picosecondes. Grâce à une géométrie unidimensionnelle en guide d’onde, il est possible de s’affranchir de la lumière diffusée du laser d’excitation, et d’observer la luminescence résonante des boîtes. Le couplage entre le laser et la boîte donne naissance au régime d’oscillations de Rabi qui permet d’inscrire dans la boîte une superposition cohérente du système à deux niveaux, c’est un bit quantique. Cependant, le couplage entre la boîte et son environnement modifie les propriétés de cohérence des boîtes quantiques, limitant ainsi le temps pendant lequel il est possible de réaliser des opérations sur les qubits. Nous avons ainsi observé et étudié deux phénomènes principaux de décohérence : l’interaction avec les phonons longitudinaux acoustiques de la matrice environnante de la boîte et le couplage avec le mode électromagnétique. Nous avons enfin étudié la statistique d’émission de photons des boîtes quantiques, et nous montrons qu’elles constituent de bonnes sources de photons uniques indiscernables, à la demande.

Abstract

Developments in quantum information require controlling and manipulating quantum bits. Among solid state emitters, semiconductor quantum dots seem promising to realize quantum bits. First, the nanometric size of those structures leads to the confinement of the carriers in the three directions of space, so that their energy spectrum becomes atom-like. Furthermore, they can easily be integrated into electronic and optic devices. Such structures are studied for their optical properties, especially the emission of single and indistinguishable photons, which are quantum states of light. In the present work InAs/GaAs quantum dots have been studied under resonant excitation with picosecond laser pulses. One-dimensional waveguiding geometry has been used to suppress the scattered excitation laser allowing the observation of a single dot resonant luminescence. The coupling between the laser and the dot leads to the Rabi oscillations regime which enables to address a coherent superposition of states in the two-level system, meaning a quantum bit. However, the coupling between the dot and its environment changes the coherence properties of the dots, limiting the time during which operations on the qubits are possible. Two main phenomena have been observed and studied : the interaction between the dots and the longitudinal acoustic phonons of the GaAs matrix and the coupling with the electromagnetic mode. Finally, the photon emission statistics of the quantum dots have been studied, showing that quantum dots are on demand good emitters of indistinguishable single photons.

Composition du jury

Valia Voliotis, directrice de thèse (INSP)
Xavier Marie (INSA, Toulouse)
Guillaume Cassabois (Charles Coulomb, Montpellier)
Pascale Senellart (LPN, Marcoussis)
Emmanuelle Deleporte (LAC, Orsay)
Jean-Michel Raimond (LKB, Paris)