Modélisation exacte de la dynamique unitaire des interfaces quantiques avec des modèles de collision

Exactly modeling the unitary dynamics of quantum interfaces with collision models

• Auteur / Autrice : Bruno Ortega Goes
• Direction : Alexia Auffèves-Garnier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanophysique
• Date : Soutenance le 13/11/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Néel (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : David Ferrand
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sergey E. Skipetrov, Olivier Krebs
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pérola Milman, Dominique Sugny

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optique quantique

Théorie de l'information quantique

Physique de l'état solide

Points quantiques

Mots clés libres

Boîtes quantiques

Physique de l'état solide

Information quantique

Optique quantique

Solid-State physics

Quantum information

Quantum dots

Quantum optics

Résumé

Les interfaces quantiques sont omniprésentes dans les technologies quantiques car elles permettent la mise en œuvre de plusieurs fonctionnalités, notamment les mémoires quantiques, les répéteurs quantiques, les portes photoniques et la génération d'états photoniques hautement intriqués. Basés sur le couplage cohérent entre les émetteurs quantiques et les impulsions lumineuses se propageant, ils peuvent être réalisés sur une grande variété de plates-formes expérimentales où des mesures quantiques de non-démolition, la génération d'intrication et la production efficace de ressources non classiques ont été rapportées.Cette thèse explore le potentiel des modèles dits de collision pour modéliser exactement la dynamique lumière-matière dans divers types d'interfaces quantiques, fournissant un accès direct à leurs états intriqués communs. Cela nous permet de dériver des expressions analytiques des performances du dispositif, qu'il soit utilisé comme appareil de mesure ou comme source d'états de cluster. Puisque notre modèle capture la lumière et la matière comme un système fermé, il vérifie la conservation globale de l’énergie, donnant ainsi accès au budget énergétique associé à l’exécution de la tâche quantique.Dans un premier temps, nous passons en revue les fondements théoriques des mesures quantiques et introduisons les chiffres de mérite utilisés tout au long de la thèse. Par la suite, nous passons en revue la méthode du modèle de collision, basée sur l’électrodynamique quantique des guides d’ondes (WGQED), ouvrant la voie à des analyses ultérieures. Ensuite, nous abordons les questions fondamentales. Tout d’abord, nous étudions l’émergence d’un comportement non classique du champ diffusé par un émetteur quantique qui interagit avec un champ cohérent résonant intense. Il révèle des signatures de contextualité quantique : négativité dans la fonction de Wigner et valeurs faibles anormales. Deuxièmement, nous étudions la possibilité d'une mesure non destructive de l'état de spin en limitant le budget énergétique à un photon au plus. Nous comparons les performances de deux champs différents : le champ cohérent et la superposition d'états numériques. Nous démontrons de meilleures performances de cette dernière en matière de génération d’intrication, offrant ainsi un avantage quantique. Enfin, notre analyse s'étend aux applications technologiques. Nous proposons une porte photon-photon, effectuons une analyse approfondie des erreurs et effectuons la modélisation d'expériences de pointe envisageant la génération déterministe d'états de lumière hautement intriqués.Cette capacité théorique ouvre la voie à l’optimisation directe des performances et de l’efficacité du dispositif en fonction des paramètres accessibles aux expérimentateurs. Cela nous permet également d’ajuster les données expérimentales avec une grande précision.

Quantum interfaces are ubiquitous in quantum technologies as they allow the implementation of several functionalities including quantum memories, quantum repeaters, photonic gates, and highly entangled photonic state generation. Based on the coherent coupling between quantum emitters and propagating pulses of light, they can be realized on a large variety of experimental platforms where quantum non-demolition measurements, entanglement generation, and efficient production of non-classical resources have been reported.This thesis explores the potential of so-called collision models to model exactly the light-matter dynamics in various kinds of quantum interfaces, providing direct access to their joint entangled states. It allows us to derive analytic expressions of the device performance, whether operated as a measuring apparatus or a source of cluster states. Since our model captures light and matter as a closed system, it verifies global energy conservation, providing access to the energy budget associated with the execution of the quantum task.Initially, we review the theoretical foundation for quantum measurements and introduce figures of merit used throughout the thesis. Subsequently, we review the collision model method, which is based on waveguide quantum electrodynamics (WGQED), setting the stage for subsequent analyses. Then, we address fundamental inquiries. First, we investigate the emergence of non-classical behavior of the field scattered by a quantum emitter that interacts with an intense resonant coherent field. It reveals signatures of quantum contextuality—negativity in the Wigner function and anomalous weak values. Second, we investigate the possibility of non-destructive spin state measurement by limiting the energy budget to at most one photon. We compare the performance of two different fields: coherent field and number state superposition. We demonstrate better performance of the latter in entanglement generation, thus providing a quantum advantage. Lastly, our analysis extends to technological applications. We propose a photon-photon gate, conduct a thorough error analysis, and we perform the modeling of cutting-edge experiments envisioning the deterministic generation of highly entangled states of light.This theoretical capacity opens the way to directly optimizing the device performance and efficiency as a function of the parameters accessible to experimentalists. It also allows us to fit experimental data with high accuracy.