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• Flagship phase 2 : On Chip Quantum Optic and Quantum Simulation English
ICQOQS
• Flagship phase 2 : On Chip Quantum Optic and Quantum Simulation

Left: microscope image of the connected pillar device.
Right: HOM measurement under
resonant excitation/ the absence
of the zero delay peak shows an
indistinguishability of 0.998.

L’objectif de ce projet est de fédérer les efforts de recherche du labex NanoSaclay sur le thème très concurrentiel de la nanophotonique et de la simulation quantiques intégrées. Les équipes réunies dans le présent consortium possèdent des expertises de tout premier plan sur plusieurs enjeux majeurs de ce domaine : antennes plasmoniques et nanocavités optiques, sources de photons uniques de grande brillance, optique non linéaire intégrée à base de nanocavités optiques ou de polaritons, réseaux de guides couplés, nanophononique etc. Notre objectif est de regrouper et de combiner ces efforts de recherche pour développer de nouvelles plateformes pour de nouvelles fonctionnalités quantiques à l’état solide. La fédération et la focalisation de ces équipes dans le cadre du flagship nanophotonique quantique permettra de consolider l'avance de NanoSaclay et constituera une véritable plaque tournante internationale de la nanophotonique quantique.

Notre projet est structuré autour de deux grands axes.

Le premier est consacré à la génération efficace de bits quantiques volants sous la forme de photons uniques, le développement d’interfaces entre un bit quantique volant et un bit quantique stationnaire et le contrôle de la décohérence par la structuration de l’environnement phononique. Des techniques de pointe en terme de fabrication déterministe des composants seront utilisées pour réaliser des sources de photons uniques brillantes fonctionnant à température ambiante en couplant des boites quantiques colloïdales à des cavités à cristal photoniques polymère ou à des antennes plasmoniques de faibles pertes. Des mémoires quantiques basées sur un spin unique dans une boite quantique auto-assemblée seront développées, et le contrôle de l’émission spontanée sera utilisé pour réaliser une interface efficace entre ce qu-bit stationnaire et les qu-bit volants. En lien avec le labex PALM, nous profiterons du meilleur des domaines de la physique atomique et de la nanophotonique pour coupler quelques atomes à une nanocavité optique ultime tout en bénéficiant de cohérence quantique des systèmes atomiques. Un nouvel axe de recherche sera enfin lancé, visant à contrôler la décohérence des bits quantiques à l’état solide par une structuration de la densité d’états des modes de phonons dans des cavités phononiques.

Le second axe de recherche est dédié aux systèmes pour la manipulation de lumière quantique et la simulation quantique intégrée. Tirant partie du développement récent de circuit optiques intégrés à base de réseaux de guides couplés, notre ambition est d’implémenter des fonctionnalités quantiques fonctionnant à l’échelle du photon unique, l’émetteur pouvant être intégré directement ou non au circuit. Des sources de photons uniques et indiscernables ultrabrillantes constituées de boites quantiques auto-assemblées, seront également connectées à des circuits photoniques intégrés pour étudier les processus de marches quantiques aléatoires et les problèmes d’échantillonnage de bosons à grand nombre de photons. Enfin, en confinant la lumière de façon extrême dans des cavités non-linéaires couplées à base de cristaux photoniques ou en utilisant les fortes non-linéarités dans des réseaux de polaritons, plusieurs problèmes de nature fondamentale, impossibles à traiter par les méthodes de calculs usuelles, seront simulés optiquement : étude de systèmes non-hermitiques avec interaction, étude de champs de jauges artificiels, ou encore simulation de phénomènes cosmologiques.

Contact: Pascale Senellart, LPN

 
#109 - Màj : 20/02/2020
Unités de recherche / Laboratoires
Faits marquants

En couplant deux nanolasers, des physiciens du C2N en collaboration avec l’Université des îles Baléares avec ont pu générer un système hors-équilibre émettant des bouffées de photons fortement corrélés, dits « super-thermiques ». Cette approche ne se limite pas à l’émission Laser mais peut être étendue à d’autres systèmes nanométriques.

Du fait de leur faible taille, les nanolasers possèdent des propriétés remarquables, notamment une faible consommation et une faible dimension. Ils font l’objet de nombreuses études visant des applications diverses, des télécommunications à l’information quantique. En les couplant d’une manière compacte, il est possible de réaliser une ingénierie de la statistique des photons émis, produisant notamment des fortes corrélations, ce qui constitue un atout pour des applications telles que la conversion non-linéaire d’énergie, l’imagerie « fantôme » qui se développe en astrophysique ou encore l’information quantique. Lorsque le couplage entre les nanolasers est faible, on peut distinguer l’émission de chacun d’eux. En revanche, si le couplage est fort, les photons se distribuent entre deux modes, hybrides, peu sensibles aux perturbations. C’est l’échange d’énergie entre ces modes qui est étudié ici lorsque le système est excité par des impulsions lasers plus courtes que les temps caractéristiques électroniques mis en jeu. Cette excitation place le système hors équilibre. L’un de ces modes se comporte alors comme un laser et est soumis à des faibles fluctuations, tandis que l’autre passe sur un régime d’émission spontanée très particulier. Il émet des bouffées de photons avec une statistique dite « super-thermique » : les photons ne sont pas émis un par un ou en continu, mais par bouffées où les photons sont concentrés dans des temps courts. Cette démonstration a été rendue possible par la mise en place d’un dispositif original permettant la mesure de la statistique complète des photons émis, malgré les temps très brefs mis en jeu, pour lesquels il n’existe pas de détecteurs suffisamment rapides. Les chercheurs visent désormais à obtenir ce même type de mesure avec très peu de photons, en régime quantique.

Cette technologie ne nécessite pas d’ingénierie particulière des émetteurs ni une interaction entre modes, contrairement aux résultats connus à ce jour. De ce fait, l’approche peut être transposée à bien d’autres systèmes. Les chercheurs ont ainsi démontré que la statistique « super-thermique » par mise hors équilibre d’un système, est générique. C’est le cas par exemple d’expériences sur le mouvement brownien appliqué au pollen en suspension. Dans cette analogie, les grains de pollen et leur énergie potentielle sont assimilables aux photons. Le système est mis hors équilibre grâce à une brutale chute de la température. Nous observons alors que le mouvement des grains suit également une statistique « super-thermique ». L’étude des systèmes nanométriques et à faible nombre de photons horséquilibre, encore balbutiante, s’avère donc particulièrement prometteuse.

Ces résultats s'inscrivent dans le cadre du projet ICQOQS financé par le LabEx NanoSaclay.
 

Référence : Far-from-Equilibrium Route to Superthermal Light in Bimodal Nanolasers

M. Marconi, J. Javaloyes, P. Hamel, F. Raineri, A. Levenson, and A.M. Yacomotti
Physical Review X 8, 011013 (2018)

Contact NanoSaclay: Alejandro M. Yacomotti, C2N

Collaboration: Département de Physique, Université des îles Baléares

Le contrôle à l'échelle nano de l'arrangement moléculaire de fluorophores organiques optiquement actifs sur une couche de métal ouvre la voie à des nanosources de lumière plus efficientes et faciles à fabriquer. Il permet aussi d'envisager de compenser les pertes de propagation de la lumière dans des guides plasmoniques.

Dans cet article, issu d'une collaboration entre deux équipes du C2N/Marcoussis et du CEA/Saclay, nous démontrons expérimentalement comment la maîtrise de l'auto-organisation de molécules organiques permet de maximiser l'interaction électromagnétique entre ces dernières et un mode plasmonique. Il en résulte un milieu actif ultra-dense constitué de fluorophores couplés, dont le contrôle de l'interaction à l'échelle nano avec le mode de plasmon de polaritons est mis en évidence, d'une part par l'observation du régime de couplage fort en absorption, et d'autre part, par l’émission des molécules couplée principalement aux modes de plasmons guidés en surface.

Référence: Strong Coupling between Self-Assembled Molecules and Surface Plasmon Polaritons
J. Bigeon, S. Le Liepvre, S. Vassant, N. Belabas, N. Bardou, C. Minot, A. Yacomotti, A. Levenson, F. Charra, and S. Barbay

The Journal of Physical Chemistry Letters 2017, 8 (22), pp 5626–5632

Contact NanoSaclay: Sylvain Barbay, C2N

Collaboration: CEA SPEC, Saclay

 

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