Thèse Intrication et Portes Logiques Quantiques avec une Interface Spin-Photon H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris Cité École doctorale : Physique en Ile de France Laboratoire de recherche : Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies Direction de la thèse : Loïc LANCO ORCID 0000000336077539 Début de la thèse : 2026-12-01 Date limite de candidature : 2026-10-25T23:59:59 Ce projet a pour objectif de contrôler l'interaction lumière-matière au niveau le plus fondamental, pour contrôler et intriquer des bits quantiques. Dans cette perspective, nous avons récemment développé une interface efficace entre un qubit stationnaire (le spin d'une charge unique) et un qubit photonique (la polarisation d'un photon unique). Notre interface utilise le qubit de spin porté par un électron ou un trou, confiné dans une boîte quantique semiconductrice InAs/GaAs couplée à une cavité micropilier contactée électriquement. Cette technologie, inventée au C2N, a déjà permis de développer des sources efficaces de lumière quantique, et de démontrer des nonlinéarités optiques déclenchées à l'échelle du photon unique.

Comme nous l'avons montré, un photon réfléchi par une telle structure boîte quantique-cavité subit une rotation de polarisation augmentée par la cavité, dans le sens horaire ou anti-horaire, en fonction de l'état du qubit de spin dans la boîte quantique. En utilisant des interfaces spin-photon couplées de façon déterministe, ainsi que des expériences de tomographie de l'état de polarisation des photons, nous avons pu démontrer une inversion complète de l'état des photons réfléchis, de façon contrôlée par un spin unique. Récemment, nous avons pu utiliser cette interaction pour sonder optiquement un spin unique par la détection de photons uniques, et pour mesurer la dynamique complète d'un spin via l'observation des photons réfléchis. Dans de tels expériences, chaque photon réfléchi puis détecté induit une action en retour, induite par la mesure, sur l'état du qubit de spin.

Dans ce projet de thèse, nous souhaitons explorer les perspectives de ces interfaces spin-photon pour l'information quantique. Nous voulons démontrer de nouvelles formes d'intrication spin-photon et photon-photon, et développer des portes logiques médiées par l'interaction spin-photon. Un objectif final va consister à interconnecter deux interfaces spin-photon, une émettrice et une réceptrice, pour commencer à développer les briques fondamentales d'un réseau quantique. A long terme, ce travail permettra de générer des états complexes intriqués, appelés des états cluster 2D, qui représentent une ressource clé pour le développement du calcul quantique basé sur la mesure.
Le développement d'interfaces lumière-matière efficaces, pouvant être utilisées comme noeuds stationnaires capables à la fois d'émettre et de recevoir des photons uniques, constitue un objectif clé pour de futures protocoles de communication quantique et de calcul quantique distribué.

Au C2N, nous avons développé des interfaces spin-photon basées sur des boîtes quantiques semiconductrices couplées, de manière déterministe, à des cavités sous forme de micropiliers. Ces dispositifs ont été utilisés notamment comme émetteurs de photons, pour générer de l'intrication entre un qubit de spin (porté par un électron confiné dans la boite quantique) et les qubits de polarisation de photons émis par l'interface. De façon complémentaire, nous avons appris à utiliser ces mêmes interfaces comme des récepteurs efficaces de photons incidents : en configuration récepteur, les dispositifs sont utilisés pour contrôler l'état de polarisation de photons incidents puis réfléchis par la cavité, en fonction de l'état du qubit de spin dans la boîte quantique. Nous avons notamment pu démontrer des rotations de polarisation géantes contrôlées par le spin, et observer la dynamique d'un qubit de spin en réalisant une tomographie de l'état de polarisation des photons réfléchis.

A long terme, l'objectif final de ces travaux va consister à exploiter l'interaction spin-photon pour réaliser des clusters photoniques 2D, pour lesquels N sont photons intriqués entre eux, dans des états pouvant être représentés par des graphes en deux dimensions. Réaliser ce type d'états, cruciaux pour l'implémentation de protocoles de calcul quantique basé résistants aux pertes photoniques, requiert d'abord de réaliser des clusters photoniques uni-dimensionnels (chaînes de photons intriqués 1D) puis de créer des liens d'intrication supplémentaires entre des photons qui n'étaient initialement pas intriqués entre eux. Pour ce type d'application, travailler en configuration récepteur sera absolument indispensable pour intriquer des photons pré-existants, eux-mêmes déjà intriqués à d'autres photons.
Ce projet vise à développer et exploiter des interfaces spin-photon utilisées comme réceptrices de photons., permettant d'intriquer plusieurs photons incidents par l'intermédiaire d'un spin unique. Notre premier objectif va être d'intriquer un spin unique avec un (puis plusieurs) photons uniques incidents, en exploitant des rotations de polarisation géante induite par un spin unique sur des photons réfléchis. Notre second objectif va consister à démontrer une porte logique CNOT, pouvant être utilisée pour intriquer des photons entre eux de manière potentiellement déterministe. Nous travaillerons ensuite à interconnecter deux interfaces spin-photon, une émettrice et une réceptrice, pour commencer à développer un véritable réseau quantique échangeant des photons entre différents noeuds. Techniques expérimentales : corrélations photon-photon, spectroscopie laser resonante, tomographie quantique des qubits de polarisation et expériences de microphotoluminescence sur des nano-objets uniques (boîtes quantiques semiconductrices) en environnement cryogénique (4K) et avec des forts champs magnétiques (jusqu'à 7T).

Forte motivation et très bon niveau académique notamment dans le domaine de l'optique et de la physique quantique, avec un volonté claire de développer un projet expérimental.

• Spectroscopie
• Chimie