Génération et caractérisation d'états non-gaussiens avec des boites quantiques, applications au calcul quantique

Generation and characterization of non-Gaussian light states with quantum dots, applications to quantum computing

• Auteur / Autrice : Hubert Lam
• Direction : Pascale Senellart
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 01/03/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et Matière
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Photonique
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay

Mots clés

Mots clés libres

Non-Gaussian light states

Des boites quantiques

Applications au calcul quantique

Non-Gaussian states

Quantum dot

Applications to quantum computing

Résumé

Pour porter le calcul quantique optique à grande échelle, nous explorons de nouveaux types d'états de lumière quantique comme les états encodés dans la base des états nombres. En 2019, nous montrions pour la première fois que lorsqu'on imprime une cohérence entre l'état fondamental (g) et l'état excité (e) du système à deux niveaux constitué par la boite quantique en cavité, le processus d'émission spontanée transfère cette cohérence sur le photon émis qui est en superposition |0> + e^(i*phi) |1> dans la base des états nombres (à |0> et |1> photon) [3]. Plus récemment, nous avons poussé ce protocole un cran plus loin, en utilisant deux excitations décalées dans le temps séparées d'un intervalle inférieur au temps d'émission spontanée. La première excitation donne lieu à une intrication entre la boite et le champ électromagnétique pendant le processus d'émission spontanée. Si une seconde excitation de l'atome est opérée durant le temps de cohérence de cette intrication lumière-matière, le processus d'émission spontanée génère des états intriqués à deux qubits dans la base {|0> , |1>}, répartis dans des bins temporels distincts. Le travail de thèse consistera à généraliser ce procédé expérimental pour générer des états à plusieurs qubits de plus en plus complexes. Il s'agira ici de mettre en place des séquences d'impulsions rapides, de délai et d'énergie contrôlés. Pour caractériser ces états, le doctorant développera 2 types de méthodes : la première repose sur des techniques de corrélations à N photons résolues en temps et est compatible avec les protocoles de calculs utilisant en un encodage en variables discrètes (qu-bits ou qu-dits). La seconde consistera à mesurer la fonction de Wigner des états générés afin de fournir une caractérisation complète, permettant de mettre en avant la nature non-gaussienne des états. Cette seconde approche permettra d'évaluer le potentiel de ces sources de lumière quantique pour les approches de calcul utilisant des variables continues.

To bring optical quantum computing to scale, we are exploring new types of quantum light states. We explore in particular the generation of states encoded in the photon number basis. In 2019, we showed for the first time that when we print a coherence between the ground state (g) and the excited state (e) of the two-level system by using the quantum dot in the cavity, the spontaneous emission process transfers this coherence onto the emitted photon which is superimposed |0> + e^(i*phi) |1> in the photon number basis (at |0> and |1> photon) [3]. More recently, we took this protocol one step further, using two time-shifted excitations separated by an interval less than the spontaneous emission time. The first excitation gives rise to an entanglement between the quantum dot and the electromagnetic field during the spontaneous emission process. If a second excitation of the atom is operated during the coherence time of this light-matter entanglement, the spontaneous emission process generates two-qubit entangled states in the basis {|0> , |1>}, distributed in separate time bins. The thesis work will consist in generalizing this experimental process to generate more and more complex multi-qubit states. It will be a question here of setting up sequences of fast pulses, delay and controlled energy. To characterize these states, the doctoral student will develop 2 types of methods: the first is based on time-resolved N-photon correlation techniques and is compatible with calculation protocols using encoding in discrete variables (qu-bits or qu-dits). The second will consist in measuring the Wigner function of the generated states in order to provide a complete characterization, making it possible to highlight the non-Gaussian nature of the states. This second approach will allow to evaluate the potential of these quantum light sources for computational approaches using continuous variables.