Excitation résonante d'un centre isoélectronique de Te dans le ZnSe

Les technologies NISQ (noisy intermediate-scale quantum, ou quantiques d'échelle intermédiaire bruitées), précurseurs des ordinateurs quantiques, ont déjà réussi pour certaines procédures spécifiques à dépasser les capacités de calculs d'un ordinateur classique. Le développement d'un ordinateur capable d'implémenter n'importe quel algorithme quantique reste cependant un problème ouvert. Le développement d'un système capable de stocker, de manipuler et de retranscrire l'information quantique est à l'étude dans les laboratoires du monde entier. Le réseau permettant de relier entre eux des ordinateurs quantiques à grande distance pourrait utiliser le photon comme support de l'information quantique. Les interfaces capables de faire le lien entre un qubit stationnaire, c'est-à-dire l'information quantique au sein de l'ordinateur, et un photon doivent allier un fort couplage avec la lumière à un faible élargissement inhomogène. La molécule de Te2 dans le ZnSe est un centre isoélectronique. Ces émetteurs quantiques jusqu'à maintenant peu étudiés allient le faible élargissement inhomogène des défauts atomiques comme les centres NV dans le diamant, au fort moment dipolaire des structures nanoscopiques comme les boites quantiques. On a démontré que l'initialisation d'un trou lié à une molécule de Te2 dans le ZnSe est réalisée en 150 ps avec une fidélité de 98.5%. Dans ce mémoire on fait état d'un obstacle dans la démonstration du contrôle cohérent d'un exciton lié à une molécule de Te2 dans le ZnSe. L'excitation résonante de l'exciton lié, pourtant indispensable au contrôle complet de l'état quantique de ce système à deux niveaux, engendre une accumulation de charges isolées dans le voisinage de l'émetteur. Les fluctuations de l'environnement électrostatique de l'exciton entrainent un décalage spectral variable, sous forme de diffusion spectrale, de son énergie de résonance et réduisent fortement le temps de cohérence de l'exciton. Cette observation expérimentale n'a encore jamais était reportée pour un émetteur unique. Pour contourner ce problème, on propose une solution innovante. On démontre que l'ajout d'un laser non-résonant permet de générer des paires électron-trou qui déchargent l'environnement en permettant la recombinaison radiative des charges isolées. On retrouve alors l'énergie de résonance de l'émetteur et une largeur spectrale comparable à celle attendue dans la limite radiative.

Abstract

NISQ (noisy intermediate-scale quantum) technologies are the precursors of quantum computers. They have already succeeded in exceeding the computational capacity of a classical computer. However, the development of a computer that could implement any quantum algorithm remains an open problem. The development of a system capable of storing, manipulating and transcribing quantum information is under study in laboratories around the world. In order to interconnect far away computers, we could use the photon as a medium for quantum information. Interfaces capable of making the link between a stationary qubit and a photon must combine a strong coupling with light with a weak inhomogeneous broadening. The Te2 molecule in ZnSe is an isoelectronic center. These quantum emitters combine the weak inhomogeneous widening of atomic defects like NV centers in diamonds, and the high dipole moment of nanoscopic structures like quantum dots. We have shown that the initialization of a hole linked to a molecule of Te2 in ZnSe is carried out in 150 ps with a fidelity of 98.5%. In this master thesis, we first point out an obstacle in the demonstration of the coherent control of an exciton bound to a Te2 molecule in ZnSe. The resonant excitation of the bound exciton, however essential for the complete coherent control of the quantum state of this two-level system, generates an accumulation of isolated charges in the vicinity of the emitter. Fluctuations in the electrostatic environment of the exciton cause a sporadic red-shift of its resonance energy. In addition, these fluctuations greatly reduce the coherence time of the exciton. To circumvent this problem, we show that an additional non-resonant laser, that generates electron-hole pairs, discharges the environment by allowing for the radiative recombination of the isolated charges. The resonance energy of the emitter is restaured and we measure a spectral width comparable to that expected in the radiative limit.