Cavity-enhanced Photon-Photon Interactions With Bright Quantum Dot Sources

par Valérian Giesz

Thèse de doctorat en Nanophysique

Sous la direction de Pascale Senellart.

Soutenue le 14-12-2015

à l'Université Paris-Saclay (ComUE) , dans le cadre de École doctorale Ondes et Matière (Orsay, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec Laboratoire de Photonique et de Nanostructures (Marcoussis, Essonne) (laboratoire) et de Université Paris-Sud (1970-2019) (établissement opérateur d'inscription) .

Le président du jury était Philippe Grangier.

Le jury était composé de Pascale Senellart, Philippe Grangier, Valia Voliotis, Glenn S. Solomon, Jean-Michel Raimond, Khaled Karraï.

Les rapporteurs étaient Valia Voliotis, Glenn S. Solomon.

  • Titre traduit

    Interactions entre photons émis par des sources brillantes à base de boîtes quantiques en cavité


  • Résumé

    Dans le domaine de l’information quantique, les photons apparaissent comme de parfaits bits quantiques (qubits) pour le transport de l’information d’un point à un autre. Ce besoin de photons uniques sur demande, où un et un seul photon est émis avec une bonne fiabilité, conduit à une recherche considérable dans le développement de sources de photons efficace. Un paramètre clé est la brillance, défini comme la probabilité qu’un photon émis par l’émetteur soit collecté. Pour certaines applications, il est également important que tous les photons émis soient tous identiques. On dit alors qu’ils sont indiscernables, dans ce cas les photons peuvent interagir et interférer entre eux. Pour obtenir la source idéale de photons uniques et indiscernables avec une brillance égale à un, de nombreuses pistes sont explorées avec différents émetteurs tels que des défauts dans le diamant, des ions ou des atomes piégés, des molécules uniques ou des boîtes quantiques semiconductrices.En couplant une boîte quantique avec une cavité optique, l’émission spontanée est de la boîte quantique est modifiée pour obtenir des sources brillantes de photons uniques. Une technique innovante développée dans l’équipe du Pr. Pascale Senellart au Laboratoire de Photonique et Nanostructures (LPN) du CNRS permet de fabriquer des sources brillantes de manière reproductible avec une excellente fiabilité.Ce travail explore les performances de boîtes quantiques uniques couplées dans des micropiliers. Diverses techniques sont utilisées pour augmenter la pureté des photons uniques et leur indiscernabilité tout en maintenant une brillance élevée. Dans un premier temps, une structure de cavité adiabatique a été utilisée pour obtenir une plus grande accélération de l’émission spontanée des BQs par effet Purcell. Ces sources ont utilisées pour réaliser un réseau où les photons émis par différentes sources interfèrent. Ensuite, une technique pour appliquer une tension électrique sur les micropilliers a été développée. Grâce à cette technique et à une excitation optique résonante, des photons parfaitement indiscernables sont collectés avec une très bonne brillance.Les résultats présentés ouvrent de nombreuses perspectives pour diverses applications telles que la fabrication d’un réseau quantique, pour la cryptographie quantique, pour la métrologie ou pour la microscopie.


  • Résumé

    In the pursuit of developing a quantum information network, photons appear to be the most convenient carriers to interconnect distant ports. The need to get on-demand single photons that is one and only one photon, with a high reliability, is the main driving force for the development of bright solid-state sources. One important parameter is the brightness defined as the probability that one collected pulse contains a single photon. For some applications like quantum information processing or long distance quantum communications, the emitted single photons must be also indistinguishable, so that can make use of their quantum interference to implement effective photon-photon interactions. To reach the ideal source of single and indistinguishable photons, different systems are explored : defects in diamond (NV centers), trapped atoms or ions, single molecules or semiconductor quantum dots.By coupling a semiconductor quantum dot to an optical cavity, the spontaneous emission of the emitter can be modified to obtain bright single-photon sources. An innovative technique was developed by Pr. Pascale Senellart and her team at the Laboratory of Photonics and Nanostructures (LPN) from CNRS that allows making such sources in a very reproducible way.This work explores the performance of single quantum dot coupled to micropillars. Various techniques are used in order to increase the single photon purity and indistinguishability while keeping a high source brightness. First, the cavity was modified using an adiabatic architecture such that a strong acceleration of the spontaneous emission was implemented. Then, a technique to apply an electric bias on the micropillars has been developed. The combination of the electric bias with a resonant optical excitation of the quantum dot allows to generation purely indistinguishable photons with a high brightness.The results developed in this thesis open a vast field of novel applications in quantum technologies, from quantum cryptography, metrology to quantum imaging.


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