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
Depuis quelques années, les physiciens revisitent les expériences fondatrices de l’optique quantique en substituant aux photons d’autres particules aux comportements similaires. Les plasmons de surface, issus du couplage de la lumière avec les électrons libres à la surface d’un métal, sont intéressants à ce titre car ils permettent d’envisager la conception de circuits et de composants dédiés au calcul quantique à des échelles sub-longueurs d’onde. Des physiciens ont récemment reproduit une version plasmonique originale de l’expérience de Hong, Ou et Mandel, une des briques élémentaires des futurs dispositifs dédiés à l’information quantique. Cette expérience, qui illustre habituellement le phénomène de coalescence de particules identiques, montre ici un comportement d’anti-coalescence des plasmons de surface lorsque les paramètres de la séparatrice utilisée sont modifiés.
L’expérience réalisée repose sur un composant nanostructuré: une séparatrice plasmonique gravée dans de l’or et sur laquelle viennent se recombiner – et interférer – deux plasmons de surface uniques. L’or est un matériau à pertes, susceptible d’absorber les plasmons de surface et donc de modifier les interférences quantiques recherchées. Il a en particulier été théoriquement démontré que la présence de pertes rendait possible une modification de l’effet de coalescence de particules, là où des expériences réalisées dans des milieux sans perte n’en sont pas capables. Ainsi, à l’aide de deux composants au dimensionnement différent, deux phénomènes ont été observés: un effet de coalescence de plasmons, analogue à celui de l’optique quantique, puis son total opposé, un phénomène d’anticoalescence, suite auquel les plasmons de surface émergent préférentiellement séparément sur les deux voies de sortie de la séparatrice. Ce travail souligne la complémentarité des approches de la plasmonique quantique et de l’optique quantique dans la perspective de développer des systèmes hybrides dédiés à l’information quantique.
Référence: Anti-coalescence of bosons on a lossy beam splitter
B. Vest, M.-C. Dheur, É. Devaux, A. Baron, E. Rousseau, J.-P. Hugonin, J.-J. Greffet, G. Messin, F. Marquier
Science 356, 1373–1376 (2017)
Contact NanoSaclay: François Marquier, Laboratoire Charles Fabry, Institut d’Optique, Palaiseau
Collaborations:
• Institut de Science et d’Ingénierie Supramoléculaire, Université de Strasbourg
• Centre de Recherche Paul Pascal, Pessac
• Laboratoire Charles Coulomb, UMR CNRS-UM 5221, Université de Montpellier
