Insertion déterministe d'une boîte quantique dans une microcavité optique et fabrication d'une source ultrabrillante de paires de photons intriqués en polarisation

Deterministic cavity-quantum dot coupling and fabrication of an ultrabright source of entangled photon pairs

• Auteur / Autrice : Adrien Dousse
• Direction : Paul Voisin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Champs, particules, matière
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Paris 7

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optique quantique

Polarisation (physique nucléaire)

Mots clés libres

Boîte quantique

Microcavité optique

Résumé

Les boîtes quantiques présentent des états quantiques discrets et apparaissent comme des atomes artificiels à l'état solide. Tout comme un atome, une boîte quantique peut émettre des photons uniques, ou des paires de photons intriqués en polarisation. Beaucoup de promesses d'applications reposent sur le contrôle de l'émission spontanée de boîtes quantiques uniques, insérées dans des microcavités. Par exemple, le régime d'accélération de l'émission spontanée (effet Purcell) permet d'extraire de manière efficace les photons émis par la boîte quantique et de fabriquer des sources très brillantes pour le traitement de l'information quantique. Le régime de couplage fort entre la boîte quantique et un mode de cavité donne lieu à des états mixtes lumière-matière qui peuvent servir pour intriquer des bits quantiques à distance. Néanmoins, le couplage boîte quantique-cavité est rendu particulièrement difficile car les techniques de croissance standard de ces émetteurs ne permettent pas de contrôler de façon déterministe leurs caractéristiques spatiales et spectrales. Le premier résultat de ce travail de thèse a été de mettre au point une technique de couplage déterministe entre une boîte quantique unique et un mode de cavité. Cette technique a été utilisée pour démontrer le contrôle de l'émission spontanée à la demande aussi bien en régime de couplage faible qu'en régime de couplage fort. Le second résultat de cette thèse porte sur la mise au point d'une cavité originale permettant l'extraction efficace de paires de photons intriqués en polarisation. En couplant de façon déterministe une boîte quantique aux modes d'une molécule photonique, nous avons fabriqué une source de paires de photons intriqués en polarisation, un ordre de grandeur plus brillante que toutes celles existantes.

Quantum dots have discrete quantum states and for this reason are sometimes called artifîcial atoms. Just like an atom, a quantum dot can emit single photons, or polarization entangled photon pairs. A great number of potential applications rely on the control of spontaneous emission of quantum dots inserted in microcavities. For example, the spontaneous emission enhancement regime (Purcell effect) allows extracting photons emitted by a quantum dot, in an efficient manner so as to obtain very bright light sources for quantum information processing. In the strong coupling regime, between a quantum dot and a microcavity mode, arise light-matter mixed states which can be used for distant entanglement of spin cubits for example. However, quantum dot-cavity coupling is rendered difficult because the standard fabrication techniques of these emitters do not allow controlling, in a deterministic fashion, their spatial and spectral characteristics. The first result of the present PhD work has been to develop a deterministic coupling technique between a single quantum dot and a cavity mode. This technique has been used to demonstrate the control of spontaneous emission on demand in the weak coupling regime, as well as in the strong coupling regime. The second result has been to design and fabricate an original microcavity for the efficient extraction of polarization entangled photon pairs. With the deterministic coupling of a quantum dot to the modes of a photonic molecule, we have fabricated a source of polarization entangled photon pairs one order of magnitude brighter than any existing source so far.