Rotation de polarisation géante avec une interface spin-photon à base de boîtes quantiques semiconductrices

Giant polarisation rotation with a quantum dot-based spin-photon interface

• Auteur / Autrice : Elham Mehdi
• Direction : Loïc Lanco
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 04/07/2023
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de nanosciences et de nanotechnologies (Palaiseau, Essonne ; 2016-....)
• Jury : Président / Présidente : Pérola Milman
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Marquier, Wolfgang Löffler
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Stéphanie Buil, Julien Claudon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photonique

Spin

Polarisation (physique nucléaire)

Microcavités

Points quantiques

Mots clés libres

Boîte quantique

Microcavité

Polarisation

Spin

Photonique

Interaction lumière-Matière

Interface spin-Photon

Quantum dot

Microcavity

Polarisation

Spin

Photonic

Light-Matter interaction

Spin-Photon interface

Résumé

Le développement d'une interface entre qubits stationnaires et qubits messagers offre de nombreuses possibilités pour les communications quantiques, via l'échange d'information entre qubits, et pour le calcul quantique, via la réalisation de portes logiques et/ou d'états quantiques complexes, multi-intriqués. Dans ce contexte, nous étudions un système de boîte quantique semiconductrice placée dans une cavité optique de type micropilier. Un tel système permet de piéger un électron dont le spin peut interagir avec un photon incident : la polarisation du photon réfléchi est alors modifiée selon l'état de spin de l'électron. L'objectif d'une telle interface est d'obtenir une correspondance parfaite entre l'état de spin et l'état de polarisation du photon après interaction avec la boîte quantique. Cela se traduit par une rotation géante de polarisation des photons réfléchis par le système étudié, rotation dont la direction dépend de l'état de spin. Nous avons donc développé une expertise dans la génération d'états de polarisation spécifiques, ainsi que dans la mesure d'états de polarisation arbitraires, afin d'analyser la réponse en polarisation du dispositif boîte quantique-micropilier. Nous démontrons ensuite la possibilité d'obtenir une rotation de polarisation géante qui dépend de l'état de spin de l'électron. La mesure de cette rotation est permise par une tomographie de polarisation complète. Enfin, nous étudions l'efficacité de la projection de l'état du spin induite par la détection d'un photon réfléchi par le système, afin de caractériser les performances de notre interface spin-photon. Cette étude est réalisée grâce à des corrélations croisées entre évènements de détection, qui sont mesurés dans des bases de polarisations complémentaires. Ces mesures permettent aussi de remonter à la dynamique du spin après interaction. Nous présentons également une boîte à outils de simulation numérique, basée sur la résolution de l'équation maîtresse, qui permet de prédire l'ensemble des résultats expérimentaux et de comprendre les différents processus en jeu. Cet outil de simulation numérique permet également de quantifier les grandeurs décrivant notre boîte quantique et notre cavité. Ce travail ouvre des possibilités vers la réalisation d'interfaces spin-photon efficaces, construites à partir de boîtes quantiques chargées en cavité.

The development of an interface between stationary qubits and messenger qubits offers many possibilities for quantum communications, via the exchange of information between qubits, and for quantum computation, via the realisation of logic gates and/or complex, multi-entangled quantum states. In this context, we study a semiconductor quantum dot system embedded in a micropillar optical cavity. Such a system allows the trapping of an electron whose spin can interact with an incident photon: the polarisation of the reflected photon is then modified according to the spin state of the electron. The objective of such an interface is to obtain a perfect mapping between the spin state and the polarisation state of the photon after interaction with the quantum dot. This results in a giant polarisation rotation of the photons reflected by the studied system, the direction of which is spin-dependent. We have therefore developed an expertise in the generation of specific polarisation states, as well as in the measurement of arbitrary polarisation states, in order to analyse the polarisation response of the quantum dot-micropillar device. We then demonstrate the possibility of reaching a giant polarisation rotation that depends on the spin state of the electron. The measurement of this rotation is enabled by a full polarisation tomography. Finally, we study the efficiency of the spin state projection induced by the detection of a photon reflected by the system, in order to characterise the performance of our spin-photon interface. This study is carried out through cross-correlations between detection events, which are measured in complementary polarisations bases. These measurements also allow us to access the spin dynamics after interaction. We also present a numerical simulation toolbox, based on the solution of the master equation, which allows predicting all the experimental results and understanding the different processes involved. This numerical simulation tool allows us to quantify the parameters describing our quantum dot and cavity. This work opens up possibilities towards the realisation of efficient spin-photon interfaces, based on charged quantum dot-cavity devices.