Initialisation de spin et rotation de polarisation dans une boîte quantique en microcavité

Spin initialisation and polarisation rotation in quantum dot embbeded in microcavity

• Auteur / Autrice : Justin Demory
• Direction : Pascale Senellart
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique et photonique
• Date : Soutenance le 18/01/2016
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Photonique et de Nanostructures (Marcoussis, Essonne ; 1984-2016)
• Jury : Président / Présidente : Sébastien Sauvage
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascale Senellart, Sébastien Sauvage, Bruno Gayral, Masha Vladimirova, Thierry Amand, Loïc Lanco
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bruno Gayral, Masha Vladimirova

Mots clés

Mots clés contrôlés

Boîtes quantiques

Polarisation (lumière)

Réflectance

Électrodynamique quantique en cavité

Spin

Mots clés libres

Spin

Boîte quantique

Rotation de polarisation

Micropilier

Réflectivitité

Électrodynamique quantique en cavité

Spin

Quantum dot

Polarisation rotation

Micropilar

Reflectivity

Cavity quantum électrodynamics

Résumé

Les photons uniques sont des candidats idéaux pour transporter l’information quantique et l'un des défis majeurs est de pouvoir faire interagir ces photons entre eux via une interface lumière-matière efficace. Dans ce contexte, de nombreux travaux de recherche ont visé à implémenter une interface spin-photon, c’est-à-dire une interface entre les qubits volants (photons) et un qubit stationnaire (spin d’un porteur de charge confiné dans un dispositif à l’état solide). Des possibilités prometteuses ont en particulier été ouvertes suite à la démonstration du phénomène de rotation de polarisation induite par un spin unique. Cette rotation Faraday/Kerr, phénomène magnéto-optique bien connu mais appliqué ici à l’interaction avec un spin unique, permet en principe de transférer l’état quantique d’un spin sur l’état quantique des photons transmis/réfléchis. Néanmoins, ces observations de rotation de polarisation induite par un spin unique étaient restées limitées à des angles de rotation de l’ordre de quelques millidegrés.Pendant cette thèse, j'ai démontré qu’une exaltation géante de l’interaction spin-photon peut être obtenue en exploitant les effets de l’électrodynamique quantique en cavité. Le système étudié est constitué d'une boîte quantique semiconductrice (InAs/GaAs) couplée de façon déterministe à une microcavité optique de type micropilier : cette géométrie de cavité constitue une des interfaces les plus efficaces entre un faisceau incident et un système quantique confiné. De plus, la boîte quantique utilisée ici contient un porteur de charge résident dont le spin peut-être initialisé et mesuré optiquement.Durant cette thèse, j’ai réalisé un montage expérimental permettant d’initialiser l’état de spin confiné à l’intérieur de la boîte quantique et d’analyser la rotation de polarisation induite par ce spin. J'ai pu ainsi démontrer qu'il était possible d'initialiser l'état de spin à l'intérieur de la boîte quantique grâce à un faisceau polarisé circulairement. Ayant un état de spin initialisé, j'ai pu ensuite observer la rotation de polarisation induite par le spin confiné d'environ ± 6 °. Cette rotation macroscopique de la polarisation constitue trois ordres de grandeurs par rapport à l'état de l'art précédent. En parallèle des travaux expérimentaux, j'ai étudié théoriquement le phénomène d'initialisation et de rotation de polarisation dans nos systèmes boîte quantique en microcavité. J'ai pu développer des modèles analytiques permettant d'analyser et de prédire les expériences d'excitation résonante et de rotation de polarisation. Ces travaux théoriques ont notamment permis de déterminer des paramètres réalistes pour laquelle la rotation de polarisation optimale est atteinte permettant d'obtenir une interface spin-photon efficace.Cette nouvelle interface entre photon et mémoire quantique ouvre la voie à un large panel d’expériences pour l’information quantique et la communication quantique longue distance.

Single photons are ideal candidates to carry quantum information and the major challenge that optical quatum computing must face is to engineer photon matter interaction. A promising way to do so is to implement an efficient spin-photon interface making use of the polarization rotation (so-called Faraday or Kerr rotation) induced by a single spin. Thanks to the polarization rotation, it is possible to transfer the spin state into a polarization state. However, observations of Kerr rotation induced by a single spin were reported only recently, with rotation angles in the few 10-3 degree range.Cavity-QED effects are used to demonstrate a giant exaltation of the spin-photon interaction. The device is a single semiconductor quantum dot spin inserted inside a micropillar, a geometry which currently constitutes the most efficient photonic interface between an external laser beam and a confined cavity mode. Further, quantum dots confine a spin state of charge carrier which can be initialized and optically measured.In this thesis, I realized an experimental setup used to initialize a spin state confined in the quantum dot and to analyze the polarization rotation induced by this spin state. I demonstrated that it was possible to initialize the spin state confined in quantum dot with a circularly polarized beam. Having a well-known spin state, I observed the polarization rotation of ± 6 ° induced by a single spin. This macroscopic polarization rotation is three orders of magnitude three orders of magnitude higher than the previous state of artIn parallel of this experimental work, I studied theoretically spin initialization and polarization rotation phenomenon in our systems. I developed analytical models to characterize and predict the resonant excitation and polarization rotation experiences. Thanks to this theoretical work, I determined realistic parameters for the device to realize an optimal spin-photon interface.This novel way of interfacing a flying qubit and a solid-state quantum memory opens the road for a wide range of applications for quantum information processing and long-distance quantum communication.