Contrôle optique de qubits liés à des centres isoélectroniques d'azote dans le GaAs

Le traitement de l'information quantique est un domaine de recherche actuellement en pleine effervescence car il laisse entrevoir une révolution dans notre façon de traiter et d'échanger de l'information. D'une part, l'ordinateur quantique promet de résoudre des problèmes comme la factorisation d'un polynôme de façon beaucoup plus efficace qu'un ordinateur classique. D'autre part, les communications quantiques promettent l'échange d'information de façon fondamentalement inviolable. Afin de tirer pleinement profit de ces nouvelles technologies, il sera avantageux de construire des réseaux quantiques. Dans un tel réseau, des processeurs quantiques, les noeuds, seront connectés par des photons voyageant dans des fibres optiques. Les réseaux quantiques permettront de déployer les communications quantiques à grande échelle et de créer des super-ordinateurs quantiques. La réalisation de réseaux quantiques nécessitera des interfaces optiques pouvant échanger l'information de façon cohérente entre un qubit (bit d'information quantique) et un photon. L'implémentation de telles interfaces dans un système physique s'avère un important défi scientifique et technologique. Or, les systèmes actuellement envisagés à cette fin souffrent d'un faible couplage avec la lumière ou encore de grandes inhomogénéités, constituant des obstacles à la réalisation de réseaux à grande échelle. Dans cette thèse, le potentiel des centres isoélectroniques pour réaliser des interfaces optiques est évalué. Deux types de qubits liés à des paires d'azote dans le GaAs sont considérés : les qubits excitoniques et les qubits de spin électronique, contrôlables par l'intermédiaire d'excitons chargés. Le contrôle optique complet des qubits excitoniques est démontré, ce qui constitue la première réalisation du genre dans les centres isoélectroniques. L'observation d'excitons chargés dans ce système, liant à la fois des trous lourds et des trous légers, laisse entrevoir de nouvelles possibilités afin de manipuler des spins électroniques. Les excitons et excitons chargés liés aux paires d'azote sont étudiés par la photoluminescence résolue spatialement. Le contrôle des qubits excitoniques est réalisée à l'aide d'impulsions laser résonantes avec un état excitonique et l'état du qubit est lu par sa fluorescence en résonance. Une expérience de rotations de Rabi est réalisée pour démontrer un contrôle sur la population du qubit. Cette expérience permet d'extraire un moment dipolaire moyen de 27 D pour l'exciton.

Abstract

In recent years, the promises of quantum information has stimulated a lot of research in the fields of physics, information theory and engineering as it could lead to a revolution on how we exchange and process information. On the one hand, quantum computers will perform tasks such as factoring polynomials much more efficiently than classical computers. On the other hand, quantum information will allow secure communication guaranteed by the laws of quantum mechanics. Building quantum networks will be crucial to fully exploit these new technologies. Quantum networks are formed from computing nodes connected by photons traveling through optical fibers. They could lead to global quantum communication and to the creation of distributed quantum computers. An optical interface coherently transferring information between a stationary qubit (quantum bit) and a flying qubit, a photon, is the cornerstone of a quantum network. The implementation of such an interface in a physical system represents an important scientific and technological challenge. Physical systems that are currently considered to build these interfaces either suffer from a weak coupling to light or high inhomogeneities, which impedes the development of scalable quantum networks. In this thesis, isoelectronic centers are proposed as a potential alternative to the realization of optical interfaces. Two types of stationary qubits bound to nitrogen pairs in GaAs are considered : exciton qubits and electron spin qubits. The latter qubits can be controlled optically using charged excitons as intermediary states. The complete optical control of exciton qubits is demonstrated, which is the first example of quantum information processing in isoelectronic centers. Then, it is shown that light- and heavy-hole charged excitons can be bound to nitrogen pairs in GaAs, which could lead to new powerful control schemes for spin qubits. Excitons and charged excitons are studied using spatially resolved photoluminescence. A Rabi rotation experiment is performed to demonstrate the optical control on the population of exciton qubits : a resonant laser pulse controls the qubit state, which can then be read by measuring its fluorescence. A mean exciton dipole moment of 27 D is found from this experiment. Interestingly, excitation induced dephasing, which is a phenomenon consistently observed in other excitonic systems, is characterized by a rather small constant K2 < 4 fs in isoelectronic centers due to the low deformation potential of nitrogen pairs. This could lead to the fast gating of excitons with higher fidelity. To show the complete quantum control of the exciton, one needs to control its population and its phase.