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1 LPA - Laboratoire Pierre Aigrain

Abstract : Single semiconductor quantum dots, which are considered as two-level systems in the artificial atom model, are promising structures for the realization of integrated devices such as single photon sources for quantum information applications. However, contrary to genuine atoms, they are condensed matter systems which suffer from the coupling to their solid environment, leading to a degradation of the coherence of the emitted photons. One possibility to avoid this coupling, thereby improving the coherence of the photons until the one imposed by the radiative limit T2 = 2T1, is to perform strictly resonant excitation of a quantum dot at low temperature. Using an experimental setup that spatially decouples the excitation and detection paths, we showed that a fine control of the electrostatic environment related to the nanostructures residual doping remains a major challenge to answer the widely encountered problem of the inhibition of the resonance fluorescence of a quantum dot. Meanwhile, thanks to quantum optics experiments and high resolution optical spectroscopy, we demonstrated that the resonant Rayleigh scattering regime where quantum dots emit single photons with the laser coherence time, paves the way to the development of -ultra-coherent- sources of single photons with high degrees of indistinguishability. In this regime where the laser tailors the coherence of the photons and where the radiative limit becomes a secondary requirement, two photons emitted successively by the same quantum dot are indistinguishable on time scales never obtained before for a solid nano-emitter up to ten nanoseconds, comparing to the carriers lifetime and decoherence time of about a hundred of picoseconds.

Résumé : Les boîtes quantiques uniques de semiconducteurs, qui sont considérées comme des systèmes à deux niveaux dans le modèle de l’atome artificiel, sont des structures prometteuses pour la réalisation de dispositifs intégrés tels que des sources de photons uniques pour des applications en information quantique. Cependant, contrairement à de véritables atomes, ce sont des systèmes de matière condensée qui souffrent du couplage à leur environnement solide, conduisant à une dégradation de la cohérence des photons émis. Une façon d’éviter ce couplage, et ainsi d’améliorer la cohérence des photons jusqu’à celle imposée par la limite radiative T2=2T1, est d’exciter une boîte quantique strictement à la résonance à basse température. A l’aide d’un montage expérimental permettant de découpler spatialement les chemins d’excitation et de détection, nous avons montré qu’un contrôle fin de l’environnement électrostatique lié au dopage résiduel de ces nanostructures reste néanmoins un enjeu majeur pour répondre au problème largement rencontré de l’inhibition de la fluorescence de résonance des boîtes quantiques. Parallèlement, grâce à des expériences d’optique quantique et de spectroscopie optique de haute résolution, nous avons montré que le régime de diffusion Rayleigh résonnante, où les boîtes quantiques émettent des photons uniques ayant le temps de cohérence du laser d’excitation, constitue une voie originale pour l’élaboration de sources -ultra-cohérentes- de photons uniques présentant de forts degrés d’indiscernabilité. Dans ce régime où le laser contrôle la cohérence des photons et où la limite radiative devient alors une contrainte secondaire, deux photons émis successivement par une même boîte quantique restent indiscernables sur des échelles de temps jamais obtenues auparavant pour un nano-émetteur solide jusqu’à une dizaine de nanosecondes, à comparer aux temps de vie et de décohérence des porteurs dans une boîte quantique de l’ordre de la centaine de picosecondes.

en fr

Keywords : quantum dots two-level system radiative limit resonance fluorescence resonant Rayleigh scattering single photons indistinguishable photons

Mots-clés : boîtes quantiques système à deux niveaux limite radiative fluorescence de résonance diffusion Rayleigh résonnante photons uniques photons indiscernables





Author: Carole Diederichs -

Source: https://hal.archives-ouvertes.fr/



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