Impact of photon-number coherence on the performance and energetics of quantum optics protocols
Impact de la cohérence dans la base d'états de nombre de photons sur les performances et aspects énergétiques des protocoles d'optique quantique
Résumé
Quantum emitters are interesting single-photon sources for quantum technologies that can theoretically emit a single-photon on-demand. In 2019 it was shown that when resonantly excited, the coherence imprinted on the quantum emitter in the energy basis is mapped upon spontaneous emission onto coherence in the photon-number basis, creating a coherent photon-number superposition of zero- and one-photon. This demonstration led to new theoretical investigations on the role of photon-number coherence in quantum optics and quantum thermodynamics. In this thesis we experimentally study the impact of photon-number coherence on pillars of quantum optics -- e.g. the Hong-Ou-Mandel effect and the Ramsey sequence -- from a quantum optics and quantum thermodynamics perspective. We demonstrate that photon-number coherence has to be considered when performing indistinguishability measurements and can lead to new quantum interference phenomena that can substantially alter the performances of heralded quantum gates. Additionally, we demonstrate that coherence not only takes a pivotal place in quantum optics, but also in the field of quantum thermodynamics by proposing and implementing experimental protocols to measure energetic exchanges between a quantum emitter and light fields. We show that the generation of coherence in a quantum emitter can lead to the spontaneous release of work in the electromagnetic field, which is reduced by decoherence and the build-up of emitter-field entanglement during spontaneous emission. The latter observation is further exploited by studying the energetic transfers between a quantum emitter and the vacuum of the electromagnetic field along the Ramsey sequence. This thesis serves as the first steps to hopefully many more experimental studies into the impact and use of photon-number superposition states and photon-number coherence in quantum optics protocols and the energetics of optical quantum computing.
Les émetteurs quantiques sont des sources de photons uniques intéressantes pour les technologies quantiques, pouvant théoriquement émettre un photon unique sur demande. En 2019, il a été démontré que sous excitation résonnante, la cohérence imprimée entre l'état fondamental et l'état excité de l'émetteur quantique est transférée lors de l'émission spontanée en cohérence dans la base d'états de nombre de photons, créant une superposition cohérente de zéro et un photon. Cette démonstration a conduit à de nouvelles études théoriques sur le rôle de la cohérence en nombre de photons en optique quantique et en thermodynamique quantique. Dans cette thèse, nous étudions expérimentalement l'impact de la cohérence en nombre de photons sur certains fondamentaux de l'optique quantique - par exemple l'effet Hong-Ou-Mandel et les interférences de Ramsey - du point de vue de l'optique quantique et de la thermodynamique quantique. Nous démontrons que la cohérence en nombre de photons doit être prise en compte lors de la réalisation de mesures d'indiscernabilité et peut conduire à de nouveaux phénomènes d'interférence quantique qui peuvent altérer considérablement les performances de portes quantiques annoncées. Par ailleurs, nous démontrons que la cohérence occupe non seulement une place centrale en optique quantique, mais aussi dans le domaine de la thermodynamique quantique en proposant et mettant en œuvre des protocoles expérimentaux afin de mesurer les échanges énergétiques entre un émetteur quantique et la lumière. Nous montrons que la génération de cohérence dans un émetteur quantique peut conduire à un transfert spontané de travail vers le champ électromagnétique, qui est réduite par la décohérence de l'émetteur ainsi que par intrication cumulée émetteur-champ lors de l'émission spontanée. Cette dernière observation est approfondie en étudiant les transferts énergétiques entre un émetteur quantique et le vide du champ électromagnétique lors de l'interférence de Ramsey. Cette thèse pose ainsi les bases pour de nombreuses autres études expérimentales sur l'impact et l'utilisation des états de superposition en nombre de photons dans les protocoles d'optique quantique et l'énergétique de l'informatique quantique optique.
Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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