CE47 - Technologies quantiques

Boîte et molécule quantiques semi-conductrices localisées pour l'optique quantique intégrée – I-SQUAD


Boîte et molécules quantiques semiconductrices localisées pour l'optique quantique intégrée

Démonstrateur d'une porte logique à deux qubits utilisant des qubits de spin médiés par des photons dans des cavités à cristaux photoniques

Quantum logic operations require manipulation of qubits using both one and two-qubit gates, the latter based on coherent interaction between pairs of qubits. Semiconductor Quantum Dots (QDs) are appealing solid state qubits and their ease of incorporation into conventional semiconductor devices make them ideal for quantum technologies, from indistinguishable single photon sources to spin qubit gates. Coupled QDs (or QD Molecule, QDM), where carriers can tunnel coherently between the dots, have even greater potential. Using holes as spin qubits long coherence times are expected making them promising candidates for quantum operations. Progress in nanophotonics makes integration of such sources in highly complex architectures possible. Photonic crystals (PhC) have a large variety of applications and advantages for integration of qubits due to the ability to design on-chip waveguides for efficient transfer of photons, on-chip interferometers to create entanglement, and in-plane efficiently coupled output from the PhC to optical fibers. Extraction of photons is highly enhanced thanks to strong light-matter coupling. <br />The major obstacle for integration of such QDs in PhC cavities in future quantum photonic circuits and networks remains the random position of QDs. Site-controlled (SC) growth is the only method that can be easily scaled up for the creation of quantum networks, where several QDs or QDMs are interlinked by photonic cavities. These challenges will be tackled in the framework of this project and will open the way to various quantum optics experiments which are for the moment only foreseen.<br />In this project we will develop and fabricate PhC devices with site-controlled In(Ga)As QDs and QDMs embedded in PhC slabs and 1D waveguides. The objective is to demonstrate two-qubit gates using spin qubits mediated by photons confined in PhC geometry.

Over a 4-year period, I-SQUAD will provide the photonic structure designs, optimised sample fabrication and experimental demonstration of scalable optically interconnected spin qubit gates. To this aim, I-SQUAD is organized in three work packages (WPs) : growth, device design and fabrication, and quantum optics experiments. This structure reflects the strong interactions already established between the partners, that will ensure rapid feedback between the tasks needed to effectively develop the advanced QDM structures required in this project.

GaAs/AlGaAs slab photonic crystal (PhC) structures containing a single layer of low density, randomly positioned InAs QD layers emitting ~ 920 nm were grown to provide material for optimisation of the PhC design. Both doped and undoped structures were grown. In addition randomly positioned InAs QDM layers were grown and dot coupling was investigated by field-dependent photoluminescence measurements. Using the modelling results as an input, we fabricated H1 and L3 PhC cavities. We also fabricated PhC samples where the PhC cavity is coupled to the fundamental mode of a GaAs waveguide, for micro-photoluminescence measurements where the excitation is applied from the side. For these waveguide PhC micro-cavity samples we employed an additional step of sawing, in order to bring the tip of the waveguide as close as possible to the edge of the sample, to further facilitate optical excitation from the side. We are currently at the early stages of the project, carrying out optical characterization of single self-assembled InAs QDs embedded in PhC cavities in order to optimize the cavity parameters (mode wavelength, quality factor, enhancement of spontaneous emission, extraction efficiency).
In parallel, we have simulated and are currently testing the laser pulse sequences needed to initialize, control and read-out a single spin state in a QD and QDM using resonant fluorescence. The system we are currently using to test this protocol is a charged GaAs QD in a waveguide. Finally, by performing photoluminescence excitation (PLE) spectroscopy combined to an unconventional two-photon absorption process between s- and p-shell exciton states in a single QD, we have identified all the spin configurations of the excited states that could be used as cycling transitions for spin readout as in the protocol we propose in the initial project.

I-SQUAD will provide a scalable, integrated QD system using site-controlled QD/QDMs embedded in air-bridge photonic crystal structures, thus allowing the realisation of an ordered array of hosts for stationary qubits (e.g. single spins), using flying qubits (photons) confined in waveguides, to generate the entanglement between the remote, stationary qubits required for quantum computation. The achievement of such a challenging task will constitute a milestone toward a fully integrated quantum technology platform. Mastering the combination of site controlled dot growth, PhC cavity design and fabrication and coherent optical control of single spins to demonstrate spin-spin entanglement in a QD-PhC system will be a major breakthrough in demonstrating the viability of an optically driven semiconductor-QD-based platform for multiple qubit operation. This will have a great impact on the quantum optics and quantum computation communities where the ability to scale up the number of qubit operations remains a major challenge.

1. Electrical control of optically pumped electron spin in a single GaAs/AlAs quantum dot fabricated by nanohole infilling
S Germanis, P Atkinson, R Hostein, S Suffit, F Margaillan, V Voliotis, B. Eble, Physical Review B 102 (3), 035406 (2020)

1. Photocreation of a dark electron-hole pair in a quantum dot
SY Shiau, B Eble, V Voliotis, M Combescot
Physical Review B 101 (16), 161405 (2019) journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.101.161405

2. Non-lorentzian LDOS in coupled photonic crystal cavities probed by near-and far-field emission
D Pellegrino, D Balestri, N Granchi, M Ciardi, F Intonti, F Pagliano, A Yu Silov, F W Otten, T Wu, K Vynck, P Lalanne, A Fiore, M Gurioli
Physical Review Letters 124, 123902 (2020)

3. Nano-Cavity QED with Tunable Nano-Tip Interaction
MA May, D Fialkow, T Wu, KD Park, H Leng, JA Kropp, T Gougousi, P Lalanne, M Pelton, M B Raschke
Advanced Quantum Technologies, 1900087 (2020)

L’intrication entre des mémoires quantiques stationnaires et des qubits photoniques est une étape fondamentale dans les développements futurs de réseaux de communications quantiques. Motivée par ces applications potentielles, une nouvelle direction de recherche a vu le jour, explorant la manipulation cohérente tout-optique de qubits de spins uniques et isolés.
La discrétisation du spectre d’énergie des boîtes quantiques semiconductrices et leur intégration facile dans des dispositifs conventionnels à base de semiconducteurs, les rendent particulièrement attractives pour ce genre d’applications. Les boîtes quantiques couplées, où les porteurs peuvent passer par effet tunnel cohérent d’une boîte à l’autre, sont encore plus intéressantes pour stocker l’information car elles constituent des qubits de spin avec des temps de cohérence très longs ce qui est nécessaire pour réaliser les portes logiques pour le calcul quantique. Les boîtes quantiques auto-assemblées ont déjà démontré leurs propriétés remarquables en tant que sources de photons uniques et indiscernables mais leur position aléatoire représente un obstacle pour leur intégration dans les circuits et les réseaux photoniques quantiques.
Nous proposons de développer un nouveau procédé de fabrication pour une plateforme intégrée d’optique quantique, basé sur une croissance localisée de boîtes, intégrées dans des cavités à cristaux photoniques qui seront reliées par des guides d’onde planaires unidimensionnels et démontrer l’intrication de qubits de spin distants, le tout, « on-chip ».
- Le premier objectif du projet est d’établir une stratégie de croissance pour des boîtes quantiques-molécules contraintes, avec une précision inégalée sur la position des boîtes, leur énergie et le couplage tunnel. Cette stratégie est basée sur l’utilisation de substrats gravés de nano-trous afin de contrôler la migration des adatomes sur la surface de croissance, conduisant à des variations d’épaisseur et de composition contrôlables à l’échelle nanométrique pendant la croissance. Des substrats gravés de nano-trous ex-situ seront utilisés pour démontrer qu’il est possible de créer un procédé évolutif pour réaliser des matrices de boîtes quantiques-molécules. Ceci constitue une étape fondamentale dans la création d’un réseau quantique de portes optiquement connectées à base de boîtes quantiques.
- L’extraction de la lumière reste le défi principal dans la réalisation d’une interface spin-photon efficace. Le deuxième objectif sera donc d’insérer les émetteurs dans des structures photoniques de manière déterministe, pour tirer profit des effets d’électrodynamique quantique en cavité. Les niveaux électroniques des boîtes quantiques - molécules seront contrôlés localement par l’application de champs électriques et seront parfaitement ajustés au mode optique d’une cavité à cristal photonique, couplé à des injecteurs/extracteurs efficaces de lumière.
- Le but du projet I-SQUAD est d’établir les conditions expérimentales nécessaires pour la réalisation de l’intrication spin-photon sur puce. Pour cela, nous démontrerons d’abord la manipulation cohérente tout-optique du qubit de spin (initialisation, contrôle cohérent, et lecture) matérialisé par un spin de trou dans une boîte quantique-molécule insérée dans une cavité à cristal photonique, puis l’intrication spin-photon. Ces deux démonstrations, et la réalisation on-chip des interférences à deux photons de deux boîtes quantiques-molécules, représenteront les briques de base pour les futurs réseaux quantiques locaux réalisés à partir de ces nano-processeurs quantiques interconnectés.

Coordinateur du projet

Madame Valia VOLIOTIS (Institut des nanosciences de Paris)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.


INSP Institut des nanosciences de Paris
C2N Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies
INSP Institut des nanosciences de Paris
LP2N Laboratoire Photonique, Numérique, Nanosciences

Aide de l'ANR 578 347 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2018 - 48 Mois

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