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