Measuring single spins with single photons
Mesure de spins uniques à l'aide de photons uniques
Résumé
The emerging quantum technologies benefit from the increasingly precise manipulation and control of single qubits. These technologies are built upon the core principles of quantum physics that are the superposition of states, entanglement and projective measurement. A quantum network linking stationary qubits with photonic channels could allow outperforming classical communication and computation schemes. To that end, an interface between stationary matter qubits and a messenger photonic qubits is required to transfer quantum information through the network. Here, we present a solid-state approach to the development of such an interface, where a stationary spin qubit, trapped in a quantum dot, interacts with a photonic qubit in a micropilar cavity.In this manuscript, quantum dot-micropilar cavity devices are investigated as spin-photon interfaces. A single electron or hole is trapped in a nanometric semiconductor quantum dot acting as an artificial atom. Its spin constitutes the stationary qubit and interacts with photons in a micropillar cavity through spin-dependent Faraday polarization rotation. As this effect is enhanced by the cavity, photons might be able to extract the full information on the spin state, thus encoded on polarization, achieving a spin-photon interface.We initially review the fabrication of the devices. Engineering the planar heterostructure sets, on the one hand, the energy band structure, and thus the ability to electrically or optically inject single charges in the quantum dot. On the other hand, it determines the optical properties of the cavity, designed to enhance the spin-photon interaction as well as the extraction of intracavity photons to the output channel. The cavity enhancement of the light-matter interaction requires the spatial and spectral tuning of the appropriate quantum dot transition to the optical mode of the micropillar cavity that we achieve through the in-situ lithography technique developed in the C2N.The devices thus assembled are first characterized in the steady state through polarization tomography, to measure the full polarization state of the photons reflected from the device. The inferred giant Faraday rotations demonstrate their potential for spin-photon interfaces. We also quantify the intensity of noise, and determine an operating point in terms of energy of the input photons and output polarizations associated to the spin eigenstates.Then, we measure cross-correlations between complementary polarizations of the reflected photons to access their dynamics, determined by the spin dynamics. The contribution of the charge and spin dynamics can be isolated depending on the measured polarizations, and the fast and slow noise sources are discriminated. The whole set of experimental results is compared to the theoretical predictions via a master equation simulation, in order to understand and characterize the involved processes. This model reproduces most of the experimental observations. It also allows assessing the quality of the spin-photon interface by estimating how efficiently the detection of a photon projects the spin in return.The two investigated devices reveal the differences between an electron- and a hole-based spin-photon interface and the impact of the surrounding heterostructure. Indeed, the low sensitivity of holes to the nuclear spin fluctuations confers them a much longer spin lifetime than electrons. However, the choice of an electrical injection of electrons in the quantum dot demonstrated a better stability than its optical counterpart (chosen for holes), protecting the electron spin from slow electrical noise. In parallel, a short radiative transitory regime following spin projection blurs out the fastest dynamics. This supports the case for future hole-based devices with electrical charge injection as candidates for ideal spin-photon interfaces.
L'émergence de technologies quantiques est favorisée par les progrès dans la manipulation et le contrôle de qubits uniques. Ces technologies se construisent autour des principes fondamentaux de la physique quantique, que sont la superposition d'états, l'intrication et la mesure projective. Un réseau quantique reliant des qubits stationnaires via des canaux photoniques pourrait permettre de surpasser les protocoles de communication et de calcul classiques. Une interface entre des qubits matériels stationnaires et des qubits photoniques messagers serait alors indispensable pour faire circuler l'information quantique dans le réseau.Nous présentons ici le développement d'une interface à l'état solide, où un qubit de spin stationnaire, un électron ou un trou unique piégé dans une boîte quantique semi-conductrice, interagit avec un qubit photonique dans une cavité micropilier. L'interaction spin-photon se produit via la rotation Faraday induite sur la polarisation des photons réfléchis, et dépendante de l'état du spin. Une fois amplifié par la cavité, cet effet peut permettre de transférer la totalité de l'information depuis l'état du spin vers l'état de polarisation des photons, réalisant une interface spin-photon.Nous commençons par décrire la fabrication des dispositifs. Les propriétés de leur hétérostructure planaire déterminent, d'une part, la structure de bande, et donc la possibilité d'injecter électriquement ou optiquement une charge unique dans la boîte quantique. D'autre part, elles déterminent les spécificités optiques de la cavité, optimisée pour amplifier l'interaction spin-photon tout en extrayant une majeure partie des photons par le canal d'intérêt. Afin d'amplifier l'interaction lumière-matière, la technique de lithographie in-situ développée au C2N permet un couplage spatial et spectral de la cavité à la transition désirée de la boîte quantique.Les dispositifs ainsi réalisés sont dans un premier temps caractérisés par tomographie de polarisation, afin de reconstruire dans l'état stationnaire l'état de polarisation complet des photons réfléchis. Les rotations Faraday géantes déduites en font des candidats de choix pour une interface spin-photon. Nous estimons également l'intensité du bruit ainsi que les points de fonctionnement optimaux en termes d'énergie des photons incidents et de polarisations réfléchies associées aux états propres de spin.Ensuite, nous accédons à la dynamique des photons réfléchis grâce aux corrélations croisées mesurées dans des polarisations complémentaires, ce qui permet de remonter à la dynamique du spin avec lequel ils ont interagi. Les contributions des dynamiques de charge et de spin peuvent être isolées en fonction des polarisations mesurées, et les sources de bruits rapides et lents sont identifiées. L'ensemble de ces résultats expérimentaux est comparé aux prédictions théoriques via une simulation basée sur l'équation maîtresse, permettant de comprendre et caractériser les processus en jeu. Celle-ci reproduit une majorité des observations, et fournit une estimation de l'efficacité de l'interface spin-photon en quantifiant la projection de spin induite par la détection des photons.Les deux dispositifs étudiés révèlent les différences entre interfaces spin-photons basées sur un électron ou un trou et l'impact de l'hétérostructure qui les entoure. En effet, la faible sensibilité des trous aux fluctuations de spins nucléaires leur confère un temps de vie plus long que celui des électrons. Cependant, le choix d'une injection électrique des électrons dans la boîte quantique induit une meilleure stabilité que l'injection optique (choisie pour les trous) en les protégeant des bruits électriques lents. En parallèle, un régime radiatif transitoire rapide qui suit la projection de spin est susceptible de brouiller les dynamiques les plus rapides. Ceci oriente vers des dispositifs basés sur le spin d'un trou avec une injection électrique pour concrétiser des interfaces spin-photon idéales.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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