Puce nanophotonique quantique ultra-compacte

par Alberto Diaz valles

Projet de thèse en Physique

Sous la direction de Gérard Colas des francs et de Stéphane Guerin.

Thèses en préparation à Bourgogne Franche-Comté , dans le cadre de École doctorale Carnot-Pasteur , en partenariat avec Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (laboratoire) depuis le 01-09-2020 .


  • Résumé

    L'intégration des technologies quantiques sur une puce photonique est un formidable défi pour réaliser des opérations qui bénéficient de la puissance des protocoles quantiques et de la bande passante photonique. Ceci est généralement basé sur l'excitation des circuits photoniques par des photons indiscernables (LOQC - calcul quantique en optique linéaire). En particulier, la porte logique NON contrôlée (c-NOT) est obtenue en envoyant des photons indiscernables sur un circuit photonique constitué de coupleurs directionnels. La porte c-NOT appartient à une classe de portes quantiques dites universelles constituant les blocs élémentaires de l'ensemble des opérations quantiques. Des portes c-NOT intégrées sur puce ont déjà été mises en œuvre, mais la source de photons indiscernables n'est pas intégrée [1]. Cette thèse porte sur la réalisation d'un circuit ultra compact intégrant la source de photons uniques. Deux points clés seront spécifiquement étudiés: i) la description exacte du couplage d'une source quantique à un circuit nanophotonique et ii) proposer une architecture photonique compacte et robuste. Comprendre et optimiser le couplage de sources de photons uniques à un circuit nanophotonique nécessite le développement d'un formalisme dédié. En effet, il faut trouver un compromis entre le fort confinement modal dans ces guides, favorisant le couplage, et la présence de pertes intrinsèques, limitant son exploitation. Nous avons récemment développé un formalisme original pour la plasmonique quantique décrivant exactement le couplage des sources quantiques aux modes localisés avec perte [2,3]. L'un des objectifs consistera à étendre ce formalisme au cas des modes guidés délocalisés. La deuxième partie de la thèse est consacrée à la conception de coupleurs directionnels ultra-compacts et robustes vis-à-vis des imperfections de la nanofabrication. Ceci est basé sur l'analogie entre la propagation spatiale dans les guides nanophotoniques et la dynamique temporelle dans les systèmes quantiques. Cette analogie conduit à la transposition de concepts de contrôle quantique tels que la transition adiabatique à la nanophotonique pour garantir que le transfert d'énergie (coupleur directionnel) soit le plus efficace possible [4,5]. La théorie développée sera la base d'une réalisation expérimentale et de la caractérisation optique des coupleurs à l'aide des installations du laboratoire ICB (plateforme ARCEN-Carnot). Nous caractériserons le couplage source de photons uniques à ces structures, tant d'un point de vue théorique qu'expérimental, avec un accent particulier sur les conditions d'adiabaticité. [1] Quantum logic with cavity photons from single atoms, A. Holleczek et al, Phys. Rev. Lett. 117, 023602 (2016). [2] Non-hermitian Hamiltonian description for quantum plasmonics : from dissipative dressed atom picture to Fano states, H. Varguet et al, J. Phy. B : At., Mo. and Opt. Phys. 52, 055404 (2019). [3] Cooperative emission in quantum plasmonics superradiance, H. Varguet et al, Phys. Rev. B 100, 041115(R) (2019). [4] Robust Quantum Control by a Single-Shot Shaped Pulse, D. Daems, A. Ruschhaupt, D. Sugny, and S. Guérin, Phys. Rev. Lett. 111, 050404 (2013) ; Robust NOT-gate by single shot shaped pulses: Demonstration by rephasing of atomic coherences, L. Van-Damme et al, Phys. Rev. A 96, 022309 (2017).

  • Titre traduit

    Ultra-compact quantum nanophotonic chip


  • Résumé

    The integration of quantum technologies on a photonic chip is a formidable challenge to achieve operations that benefit from the power of quantum protocols and photonic bandwidth. This is usually based on the excitation of photonic circuits by indistinguishable photons (LOQC - linear optics quantum computation). In particular, the NOT controlled logic gate (c-NOT) is obtained by sending indiscernible photons on a photonic circuit consisting of directional couplers. The c-NOT gate belongs to a class of so-called universal quantum gate constituting the elementary blocks of the set of quantum operations. On-chip integrated c-NOT gates have already been implemented, but the source of indistinguishable photons is not integrated [1]. This thesis focuses on the realization of an ultra compact circuitry integrating the source of single photons. Two key points will be specifically studied: i) the exact description of the coupling of a quantum source to a nanophotonic circuit and ii) to propose a compact and robust photonic architecture. Understanding and optimizing the coupling of single photon sources to a nanophotonic circuit requires the development of a dedicated formalism. Indeed, it is necessary to find a compromise between the strong modal confinement in these guides, favoring the coupling, and the presence of intrinsic losses, limiting its exploitation. We have recently developed an original formalism for quantum plasmonics describing exactly the coupling of quantum sources to lossy localized modes [2,3]. One of the goal will consist in extending this formalism to the case of delocalized guided modes. The second part of the thesis is dedicated to the design of ultra-compact and robust directional couplers with respect to nanofabrication imperfections. This is based on the analogy between spatial propagation in nanophotonic guides and temporal dynamics in quantum systems. This analogy leads to the transposition of quantum control concepts such as adiabatic transition to nanophotonics to ensure that energy transfer (directional coupler) is as efficient as possible [4,5]. The developed theory will be the basis of an experimental realization and the optical characterization of the couplers using the facilities of the ICB lab (ARCEN-Carnot platform). We will characterize the source coupling of single photons to these structures, both from a theoretical and experimental point of view, with a particular focus on the adiabaticity conditions. [1] Quantum logic with cavity photons from single atoms, A. Holleczek et al, Phys. Rev. Lett. 117, 023602 (2016). [2] Non-hermitian Hamiltonian description for quantum plasmonics : from dissipative dressed atom picture to Fano states, H. Varguet et al, J. Phy. B : At., Mo. and Opt. Phys. 52, 055404 (2019). [3] Cooperative emission in quantum plasmonics superradiance, H. Varguet et al, Phys. Rev. B 100, 041115(R) (2019). [4] Robust Quantum Control by a Single-Shot Shaped Pulse, D. Daems, A. Ruschhaupt, D. Sugny, and S. Guérin, Phys. Rev. Lett. 111, 050404 (2013) ; Robust NOT-gate by single shot shaped pulses: Demonstration by rephasing of atomic coherences, L. Van-Damme et al, Phys. Rev. A 96, 022309 (2017).