Optique quantique des atomes unidimensionnels, avec application aux interfaces spinphoton

Quantum optics of 1D atoms with application to spin-photon interfaces

• Auteur / Autrice : Bogdan Reznychenko
• Direction : Alexia Auffèves-Garnier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique théorique
• Date : Soutenance le 13/12/2018
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Néel (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Sergey E. Skipetrov
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Loïc Lanco
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Dario Gerace, Valia Voliotis

Mots clés

Mots clés contrôlés

Théorie de l'information quantique

Optique quantique

Interactions photon-atome

Mots clés libres

Interfaces spin-photon

Optique quantique

Atome 1D

Spin-Photon interface

Quantum optics

1D atom

Résumé

Les phénomènes quantiques ouvrent des possibilités nouvelles et révolutionnaires dans les domaines du calcul et de la cryptographie. Il est attendue, que des problèmes impossibles à résoudre avec des moyens classiques, peuvent être résolus par des ordinateurs quantiques, et la communication devient absolument sécurisée si elle est encodée dans un état de système quantique – un bit quantique. Un effort important a récemment été consacré à la recherche sur le transfert déterministe d’information entre photons et atomes, fonctionnant comme des bits quantiques volants et stationnaires respectivement. L’interaction entre ces deux composants est augmentée s’ils sont placés dans un milieu optique unidimensionnel, réalisant un système appelée “un atome 1D”. L’étude de ce milieu optique et des ses applications aux technologies quantiques constitue l’objectif de cette thèse.Tout d’abord, nous explorons l’interaction entre le champ lumineux et un atome 1D, en prenant une boîte quantique semi-conductrice dans un micropilier comme exemple. Nous étudions le contrôle cohérent de ce système avec des impulsions lumineuses afin de trouver un moyen optimal de contrôler son état, en faisant varier la puissance, la forme et la durée d’une impulsion, ainsi que la statistique de l’état quantique du champ lumineux. Nous étudions également l’impact de l’atome 1D sur l'état du champ réfléchi en fonction des paramètres du système expérimental.Nous poursuivons avec l’étude de l’état quantique du champ lumineux réfléchi, en nous concentrant sur sa pureté. C’est important pour transmettre fidèlement l’état superposition d’un bit stationnaire à un autre par la lumière, qui agit comme un bit quantique volant. Nous développons une méthode de caractérisation expérimentale de la pureté et l’appliquons à des données expérimentales, démontrant ainsi que la technologie moderne permet de créer des superpositions de haute pureté.Enfin, nous nous concentrons sur la lecture d’un qubit stationnaire basé sur un spin dans un environnement unidimensionnel. Nous étudions comment la lumière polarisée peut être utilisé pour cela, en montrant qu’il est possible de lire l’état de spin en détectant qu’un seul photon. Nous explorons différents écarts de ce régime optimal. Nous étudions également la décohérence de l’état de spin due à l’interaction avec le champ lumineux, et back-action de la mesure, montrant que l’état de spin peut être “gelé”. C’est une manifestation de l’effet Zeno quantique, qui permet la préparation du qubit dans un état arbitraire. Cela ouvre des perspectives pour la réalisation efficace de bits quantiques stationnaires basés sur des spins uniques incorporés dans un environnement électromagnétique unidimensionnel.

Quantum phenomena give rise to new and revolutionary possibilities in the fields of computation and cryptography. The problems that are unsolvable with classical means are expected to be solved by quantum computers, and communication becomes absolutely secure, if it is encoded in a state of a quantum system. A large effort has been recently paid to research of deterministic transfer of information between photons and atoms, acting as flying and stationary quantum bits respectively. The interaction between these two components is enhanced, if they are put in a unidimensional medium, realizing a so called "1D atom". The study of this specific optical medium and its applications to quantum technologies constitutes the objective of this thesis.First, we explore the light-matter interface realized as a 1D atom, with a semiconductor quantum dot in a micropillar cavity as an example. We study the coherent control of this system with light pulses in order to find an optimal way to control its state, varying the power, shape and duration of a pulse and statistics of the state of light field. We also study the impact of the 1D atom on the state of the reflected field as a function of parameters of the experimental device, describing the filtering of single photon Fock state from incident pulse.We continue with the study of the quantum state of the scattered light field, focusing on its purity. This is required to faithfully transmit the superposition state of one stationary qubit to another using light as a flying quantum bit. We develop a method to experimentally characterize the purity, and apply it to experimental data, showing that the state of art technology allows to create high-purity superpositions.Finally, we focus on the readout of a stationary qubit based on a single spin in a unidimensional environment. We study how to efficiently use polarized light for this purpose, showing that it is possible to readout the spin state, by detection of only one photon. We explore different deviations from this optimal regime. We also study the decoherence of the spin state due to interaction with the light field and the back-action of the measurement, showing that it is possible to freeze the spin state due to the quantum Zeno effect, which allows the preparation of the qubit, based on it, in an arbitrary superposition state. This opens perspectives towards efficient realization of stationary quantum bits based on single spins embedded in unidimensional electromagnetic environment.