Quantum dots couplées pour la photonique quantique intégrée

Coupled quantum dots for integrated quantum photonics

• Auteur / Autrice : Antoine Chapuis
• Direction : Valia Voliotis
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 02/10/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des nanosciences de Paris (1997-....)

Mots clés

Mots clés libres

Quantum dot molecule

Singlet-triplet qubit

Optical control

Quantum dot molecule

Qubit singulet-triplet

Contrôle optique

Résumé

Les quantum dots autoassemblées - des clusters de centaines d'atomes qui se forment spontanément sous des conditions de croissance en film fin particulières - sont idéales pour les applications en informatique quantique de par la densité d'états qui est discrète comme celle des atomes et la facilité avec laquelle de tels systèmes peuvent être intégrés dans des appareils a semiconducteurs classiques. L'émission de photon uniques et indiscernables a déjà été observée avec des quantum dots ainsi que la possibilité de créer des portes logiques quantiques. Nous proposons d'explorer les quantum dots couplées, aussi appelées quantum dot molecules : deux dots sont séparées par une barrière fine que les porteurs de charge peuvent traverser par effet tunnel. Ce système a un potentiel supérieur aux portes quantiques nécessaires à l'informatique quantique. En controllant le nombre de porteurs de charge dans la molécule, un qubit de spin avec un long temps de cohérence peut être créé. Le temps de cohérence est alors environ deux ordres de grandeur plus grand que pour un spin seul dans une quantum dot [1,2]. Objectif. Durant cette thèse, nous nous proposons de travailler sur ces quantum dot molecules et de créer un système faisant office d'interface spin-photon. Ce projet ambitieux combine de la croissance épitaxiale avancée, de la nanofabrication et des expériences en optique quantique. Les molecules seront entourée d'une structure de diode afin de pouvoir appliquer un champ électrique ce qui permet de placer les deux niveaux d'énergie des dots en résonance et ainsi d'avoir des états électroniques délocalisés sur les deux dots. Le contrôle de charge dans la quantum dot molecule permettra de créer des qubits singulet-triplet, où les deux états singulet et triplet sont séparés par l'interaction d'échange qui peut être contrôlée par la tension appliquée, l'épaisseur de la barrière ou un champ magnetique dans le plan [2,3]. Les états de spin seront contrôlés par des pulses optiques sous cham magnétique. Des systèmes expérimentaux originaux peuvent être mis en place, par exemple contrôler une séquence de pulses magnétiques radiofréquences pour se mettre à la résonance du spin singulet-triplet et ainsi diriger le qubit initialisé optiquement [4]. Les quantum dots couplées doivent être insérées dans des structures photoniques désignées spécifiquement pour améliorer le couplage lumière-matière ou arriver à une excitation résonante, par exemple des miroirs de Bragg et des guides d'onde à crête, des structures précédemment utilisées dans le groupe. Pour venir à bout du problème de la répartition aléatoire des dots sur la surface, une cartographie en photoluminescence est nécessaire, pour superposer spatialement la quantum dot et la structure photonique. References: [1] Weiss et al, PRL, 109, 107401 (2012) ; [2] Tran et al, PRL, 129, 027403 (2022) ; [3], Bopp et al, arXiv:2303.12552 (2023) ; [4] Economou, et al, Phys. Rev. B 86, 085301(2012)

Self-assembled quantum dots (QD) – clusters of hundreds of atoms that form spontaneously under certain thin film growth conditions – are ideal for quantum information applications due to their discrete, atom-like density of states and ease of integration into conventional semiconductor devices. Emission of single and indistinguishable photons has already been demonstrated with QDs and also the possibility to realize quantum logic gates. We propose to explore coupled quantum dots, or so-called quantum dot molecules (QDM), where two dots are separated by a thin barrier and carriers can tunnel coherently between them. This system has even greater potential as the quantum gate needed for quantum computation. By controlling the number of charge carriers in the molecule, a spin qubit with a large coherence time can be created, about two orders of magnitude longer than the coherence time of a single spin in a QD [1,2]. Goal. In this PhD project, we propose to investigate such quantum dots molecules and realize a device for an efficient spin-photon interface. This challenging project combines advanced epitaxial growth, nanofabrication and quantum optics experiments. Molecules will be embedded in a diode structure to permit an electric field to be applied across the dots, in order to bring the energy levels of the two dots into resonance, creating new electron states which are delocalised across the two dots. Charge control in the quantum dot molecule will allow create singlet-triplet qubits, where the singlet –triplet states are separated by exchange interaction that can be varied by the applied gate voltage, the barrier thickness or an in-plane magnetic field [2,3]. The spin states will be addressed and controlled with optical pulses under magnetic field. Original experiments can then be setup, for instance tuning a sequence of radio-frequency magnetic field pulses to the singlet-triplet spin resonance allowing driving the optically initialized qubit [4]. The coupled QD have to be inserted in specifically designed photonic structures to enhance light-matter interaction or achieve resonant excitation, for instance Bragg mirrors and ridge waveguides, photonic structures that we have used in the past by our group. To tackle the problem of random distribution of the dots on the surface, photoluminescence mapping for QD positioning on the sample is necessary, to spatially match the QD and the photonic structure. References: [1] Weiss et al, PRL, 109, 107401 (2012) ; [2] Tran et al, PRL, 129, 027403 (2022) ; [3], Bopp et al, arXiv:2303.12552 (2023) ; [4] Economou, et al, Phys. Rev. B 86, 085301(2012)