Sources brillantes de photons uniques indiscernables et démonstration d'une porte logique quantique

• Auteur / Autrice : Olivier Gazzano
• Direction : Pascale Senellart
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des territoires
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Paris 7

Mots clés

Mots clés contrôlés

Société

Boîtes quantiques

Aspect économique

Photons

Optique quantique

Résumé

L'objectif de cette thèse a été de développer de nouvelles sources brillantes de photons à la fois uniques et indiscernables et de les utiliser pour réaliser une porte logique quantique. Pour cela, nous avons étudié et contrôlé l'émission spontanée de boîtes quantiques semi-conductrices insérées dans des structures optiques. Dans un premier temps, nous avons développé un nouveau type de cavités tridimensionnelles -simples à réaliser et que nous avons nommées cavités à « modes de Tamm plasmoniques confinés » - afin de contrôler l'émission spontanée d'une boîte quantique et de créer une source brillante de photons uniques. Dans un second temps, nous avons fabriqué et caractérisé des sources de photons uniques ayant des brillances record allant jusqu'à 0. 79 photons collectés par impulsion laser. Pour cela, nous avons couplé de manière déterministe une boîte quantique à un mode confiné de micropilier. L'indiscernabilité des photons émis par la source a été étudiée en fonction des conditions d'excitation. Un schéma d'excitation à deux couleurs nous a permis d'obtenir pour la première fois une grande indiscernabilité entre les photons à forte brillance de la source. Enfin, pour montrer le potentiel de ces sources, nous avons construit une porte logique quantique Controled-NOT opérant sur deux photons uniques. Cette porte qui retourne l'état d'un qubit de cible en fonction de l'état d'un qubit de contrôle est l'élément de base d'un ordinateur quantique. Grâce à la mesure de la table de vérité, nous avons obtenu le taux de succès de la porte. Finalement, en utilisant cette porte, nous avons généré deux photons intriqués en polarisation. La fidélité à l’état de Bell atteint 71%.

The goal of this thesis was the developrnent of new bright sources of both single and indistinguishable photons that we used for implementing a quantum logic gate. For this purpose, we studied and controlled the spontaneous emission of single semiconductor quantum dot embed in optical structures. First, we proposed a new type of three dimensional cavity - easy to realize and that we named ''confined Tamm plasmon modes'' cavities - in order to control the spontaneous emission of a quantum dot and to create a bright source of single photons. Then, we fabricated and characterized sources of single photons with brightnesses up to 0. 79 photons collected per laser pulse. To do so, we deterministically coupled a single quantum dot to the confined mode of a micropillar The indistinguishability of the photons emitted by the source has been studied as a function of the pumping conditions. Using a two-color excitation scheme, we obtained for the first time a bright source of indistinguishable single photons. Finally, to show the potential of these sources, we implemented a quantum Controlled-Not gate operating on two single photons. This gate, which flips a target qubit state as a function of a control qubit state, is at the heart of the quantum computer, The measurement of the truth table allows us to determine the success probability of the gate, Using this quantum logic gate, we generated two photons entangled in polarization. The fidelity to the Bell state reaches 71%.