Institut des
NanoSciences de Paris
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Manipulation cohérente de qubits dans les boites quantiques semiconductrices ; interfaces spin-photon

P. Atkinson, B. Eble, R. Hostein, F. Dubin, V. Voliotis

Les boîtes quantiques à base de matériaux semiconducteurs peuvent être assimilées en première approximation à des systèmes à niveaux et constituer ainsi des « bits quantiques » (qubits). Deux types de qubits peuvent être implémentés, celui avec une paire électron-trou neutre ou bien avec les deux états du spin d’un porteur, électron ou trou. Pour réaliser des opérations logiques, il faut être capable de préparer (initialiser) et manipuler (effectuer des rotations sur la sphère de Bloch) le qubit très rapidement à l’échelle de son temps de cohérence. Cela peut se faire grâce à des impulsions lumineuses par des expériences dites de « contrôle cohérent ». Nous avons développé les dernières années des expériences de spectroscopie résonnante des états quantiques qui ont permis de mettre en évidence l’oscillation de Rabi de l’état fondamental d’une paire neutre dans une boîte. Cela démontre la possibilité d’initialiser l’état dans n’importe quelle superposition du système à deux niveaux, uniquement régie par les paramètres du laser (polarisation, puissance). Il est ensuite possible de manipuler l’état préparé de manière cohérente, par des expériences de contrôle cohérent avec deux impulsions dont on contrôle le retard et la phase relative très précisément. Toutes ses manipulations sont limitées par les processus de déphasage dans la matière induisant une perte de cohérence du système et qu’il est nécessaire de comprendre et maîtriser [1-2] afin d’optimiser la fidélité des opérations.

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Légende : Représentation schématique d’un système à deux niveaux excité à la résonance par deux impulsions brèves décalées dans le temps d’un retard δ, et dont la phase relative est φ. L’oscillation de Rabi entre le niveau 0 (boîte vide) est le niveau 1 (boîte avec une paire électron-trou photo-créée) est observée en fonction de la puissance du laser d’excitation. Les oscillations sont amorties en raison du temps de vie fini du système mais aussi à cause du déphasage induit au cours de l’excitation.

Les futurs développements s’orientent vers l’intrication de deux qubits, l’intrication spin-photon et l’intégration des émetteurs dans des circuits photoniques (cristaux photoniques pour le couplage efficace et versatile avec la lumière, guides uni-dimensionnels comme canaux de transmission des photons, réalisation de réseaux interconnectés). Nous avons comme objectif principal pour les prochaines années, grâce au financement d’un projet ANR, de réaliser à l’aide de boîtes quantiques un démonstrateur pour des protocoles de base d’information quantique. Ces briques élémentaires dont on pourra contrôler la charge, seront insérées de façon déterministe dans des structures à cristaux photoniques. Ce projet alliant croissance localisée par épitaxie par jets moléculaires, conception et fabrication de structures nanophotoniques, permettra de réaliser la manipulation cohérente tout optique du spin afin de démontrer l’intrication de deux spins distants par l’intermédiaire d’un photon dans un dispositif tout intégré.

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Légende : Représentation schématique d’un système en Λ et de l’interface spin-photon. L’état du spin est initialisé dans l’état g2 ; le qubit de spin est contrôlé par des impulsions lumineuses et la polarisation du photon émis est intriquée avec la projection du spin correspondant. A droite est représenté le dispositif tout-intégré permettant de démontrer l’intrication entre spins distants sur la même puce.

1] L. Monniello, C. Tonin, R. Hostein, A.Lemaitre, A. Martinez, V. Voliotis, R. Grousson, Excitation-Induced Dephasing in a Resonantly Driven InAs/GaAs Quantum Dot, Phys. Rev. Lett. 111, 026403 (2013)
[2] A. Reigue, F. Lux, L. Monniello, M. Bernard, F. Margaillan, A. Lemaître, J.Iles-Smith, J. Mork, R. Hostein, and V. Voliotis, Probing exciton-photon interaction by two-photon interferences in a resonantly driven quantum dot, Phys. Rev. Lett. 118, 233602 (2017)