Couplage efficace entre atomes et guide d'onde photonique sans nano-fabrication – E-CANNON

L’électrodynamique quantique en guide (WQED) étudie l'interaction entre plusieurs émetteurs quantiques et un mode guidé du champ électromagnétique (EM). Ce domaine est clé pour le développement des technologies quantiques et a généré de nombreuses propositions théoriques allant des protocoles d'information quantique à la génération d'états de lumière non-classiques et à la simulation quantique. Les performances des plateformes expérimentales sont caractérisées par leur capacité à coupler N émetteurs quantiques à un seul mode EM. En pratique, cela s'obtient en supprimant le couplage aux modes transverses et en renforçant la densité d'états EM longitudinale. Cette ingénierie des modes EM est généralement obtenue en positionnant les émetteurs à l’intérieur ou proche du guide d‘onde nano-structuré. Pour des longueurs d'onde optiques, cette ingénierie est extrêmement sensible à tout défaut résiduel, même à l'échelle nanométrique. Cette sensibilité a jusqu'à présent limité les performances atteignables par les guides d'ondes nano-fabriqués.
Le projet E-CANNON propose un changement de paradigme en utilisant un ensemble d'atomes froids structuré pour à la fois guider l’émission d’un dipôle quantique dans un unique mode EM transverse et fournir des émetteurs quantiques naturellement positionné au cœur du mode guidé. Alors que le guidage dans une configuration monomode sera atteint en utilisant un gaz quantique très allongé, une modulation 1D de l’indice de réfraction créera une bande interdite présentant une augmentation de la densité d’état en bord de bande. En utilisant simultanément des méthodes d’habillage optique, il est possible d’isoler des émetteurs quantiques à deux niveaux dont l’émission sera guidée par le guide d’onde atomique. Ce développement s'appuie sur des solutions innovantes et prometteuses pour contrôler les propriétés de diffusion de l'ensemble d'atomes froids. Nous proposons d’implémenter ces solutions sur deux plateformes expérimentales complémentaires : un gaz d'atomes froids dilué piégé dans un réseau 1D au laboratoire INPHYNI (Nice) et un gaz quantique allongé avec une cohérence structurée au LP2N (Bordeaux).
L’objectif de E-CANNON est de caractériser et d’optimiser les performances des solutions proposées : un couplage radiatif (d'un seul atome) avec le mode guidé qui soit proche de l'unité et la capacité d’intégrer de nombreux émetteurs quantiques. Si elle répond aux attentes, cette nouvelle plateforme serait idéale pour mettre en œuvre de manière efficace les protocoles de WQED.