Une interface spin-photon: intrication et mesures quantiques – SPIQE

Le but principal de ce projet est d’étudier à la fois expérimentalement et théoriquement le potentiel d’une interface semiconductrice spin-photon pour le traitement de l’information quantique. Nos objectifs incluent des études fondamentales en physique quantique comme des démonstrations de premières fonctionalités pour l’information quantique. Pour implémenter l’interface spin-photon nous utiliserons l’effet de rotation Faraday/Kerr : lorsqu’un photon interagit avec un spin unique, sa polarisation est tournée dans un sens qui dépend de l’état de spin. Nous tirerons partie de l’importante avancée expérimentale récemment démontrée au LPN : en insérant un spin unique dans une dispositif d’électrodynamique quantique en cavité, une amplification géante par trois ordres de grandeurs est obtenue pour l’effet Faraday/Kerr. De plus, grâce au très bon couplage entre la cavité micropilier et l’environnement extérieur, il devient possible de communiquer avec le dispositif par le biais de photons uniques.

L’interface spin-photon ouvre des perspectives majeures pour la physique quantique et pour le traitement quantique de l’information, telles que la mesure quantique non-destructive du spin à l’aide d’un seul photon, ou encore la possibilité d’implémenter une intrication spin-photon. Cette nouvelle forme d’intrication, par laquelle un qubit stationnaire est intriqué avec un unique photon incident, n’a jamais été obtenue jusqu’à présent. Il s’agit d’un enjeu considérable pour la connexion de systèmes quantiques séparés via des photons uniques.

Des avancées majeures sont attendues au cours de cette quête vers une interface spin-photon idéale:
- Nous allons augmenter l’interaction spin-photon de façon à ce que la lecture non-destructive rapide d’un spin devienne possible, permettant alors une observation directe de la dynamique d’un spin unique, en temps réel.
- Pour implémenter une superposition cohérente d’états de spin, des oscillations de Rabi seront induites et observées à l’aide de mesures quantiques non-destructives, faibles ou fortes.
- Un état spin-photon intriqué sera produit et observé, à l’aide de mesures de corrélations permettant d’évaluer la fidélité de l’intrication.
- L’interface spin-photon sera modélisée, afin de simuler son utilisation dans les expériences mentionnées ci-dessus, et afin de guider l’optimisation des dispositifs et des expériences.
- L’interaction entre le spin et l’environnement soumis à une mesure sera également modélisée, afin de décrire l’action induite par la mesure sur le système quantique.
- Finalement, le potentiel des mesures quantiques avec cette nouvelle plate-forme sera exploré dans le cadre de sujets émergents en physique quantique fondamentale.