Raphaël Proux

Activités de recherche

Sujet de thèse : génération de photons indiscernables dans les boîtes quantiques semiconductrices excitées à résonance

Les photons uniques et indiscernables sont l’une des clés pour l’implémentation de réseaux d’information quantique. Les boîtes quantiques sont des émetteurs proches d’un système à deux niveaux idéal et sont intégrables dans un dispositif. Ce sont donc de bons candidats pour de telles applications. Mon travail de thèse est tourné vers les propriétés d’indiscernabilité des photons émis par une boîte quantique semiconductrice unique, excitée à résonance. Les boîtes quantiques que nous étudions sont faites d’InAs, par épitaxie par jets moléculaires (Molecular Beam Epitaxy, MBE). Elles émettent en général aux alentours de 1,3 eV (950 nm).

Configuration expérimentale permettant l’excitation
résonnante des boîtes quantiques.

Afin d’exciter les boîtes quantiques à résonance, elles sont insérées dans une microcavité planaire. Le laser d’excitation est injecté par la tranche en utilisant une fibre optique (voir figure à droite). Ce schéma expérimental présente deux avantages : d’une part le laser d’excitation est guidé efficacement jusqu’à la boîte sans aveugler le système de détection, et d'autre part l’émission de la boîte est redirigée dans un mode de la microcavité, améliorant l’efficacité de collection. De plus, sous excitation résonnante, les boîtes quantiques épitaxiées peuvent avoir d’excellentes propriétés de cohérence, proches de la limite radiative.

Cela permet d’effectuer des expériences d’optique quantique telles que des mesures de statistique et d’indiscernabilité des photons émis par une boîte, qui font appel respectivement à l’interféromètre de Hanbury Brown – Twiss (HBT) et de Hong – Ou – Mandel (HOM). Ce dernier nous permet d’observer la coalescence des photons, un phénomène relié directement à leur indiscernabilité et donc à leur cohérence.

Alors que la littérature s’intéresse plutôt à la profondeur du creux de Hong – Ou – Mandel, nous avons publié une étude complète des caractéristiques temporelles de l’indiscernabilité des photons émis par une boîte quantique excitée à résonance. Ces propriétés temporelles sont essentielles dès que l’on considère l’impact du temps de réponse des détecteurs et permettent de mieux comparer les émetteurs entre eux. Ce travail étudie en particulier le régime de diffusion Rayleigh résonnante, qui est atteint à très faible puissance d’excitation, ce qui rend son observation difficile du fait du niveau de signal très faible. Dans ce régime, la lumière diffusée par la boîte quantique possède la cohérence du laser d’excitation, ce qui constitue une source de photons uniques potentiellement très cohérente. De plus, ces mesures sont des observations expérimentales du lien direct entre la cohérence et l’indiscernabilité des photons.

La dernière année de mon doctorat devrait se focaliser sur une nouvelle structure d’échantillon contacté électriquement, ce qui permettra de contrôler l’environnement électrostatique des boîtes quantiques afin de réduire les processus pouvant introduire du déphasage et donc d’améliorer encore leurs propriétés de cohérence.

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