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Photonique quantique
La possibilité de créer, observer et manipuler des objets dont l’évolution est entièrement déterminée par la mécanique quantique a progressé de façon spectaculaire au cours des quinze dernières années. C’est ainsi que la physique quantique est clairement passée de la phase d’observation et compréhension des systèmes naturels à celle du contrôle de ces systèmes aboutissant à la création de nouveaux dispositifs. Par exemple, le dessin de l’architecture de structures semi-conductrices a permis (après les grands succès des années 1980 obtenus avec les lasers à puits quantiques) d’obtenir une émission laser d’un type nouveau. Les lasers à cascade, inventés en 1994, sont basés sur des transitions intersousbande et fonctionnent grâce à la maîtrise du transport quantique des électrons dans des super-réseaux de semi-conducteurs nano-fabriqués. Cet aspect de contrôle se retrouve aussi dans les systèmes dilués qui ont vu l’application des techniques de manipulation et de refroidissement par laser aboutir à la condensation de Bose-Einstein d’échantillons atomiques gazeux en 1995. Depuis une véritable explosion d’expériences vise à la réalisation de systèmes atomiques contrôlés (atomes neutres ou ions) qui puissent implémenter une « fonction » quantique. Parmi les exemples les plus aboutis de cette approche à la physique quantique nous trouvons le développement d’ outils pour la manipulation de l’information quantique qui avancent en parallèle en physique de la matière condensée et en physique atomique. Dans ce domaine, l’exploitation des caractéristiques du monde quantique (non-localité et non-séparabilité ou intrication) sont rapidement passées de l’étape spéculative à l’observation expérimentale puis à la manipulation et à l’utilisation pratique.
Le thème Photonique Quantique s’insère naturellement dans cette évolution de la physique et regroupe trois équipes qui développent des dispositifs quantiques pour la production et/ou le stockage de photons dans différents régimes. Le développement et la maîtrise des techniques de croissance de structures semi-conductrices est un point fort et fédérateur du thème qui a pu se développer grâce à l’implantation historique de deux équipes sur le site de Thales Research and Technologies. Un lien étroit avec Thales est toujours présent et le savoir-faire technologique s’est enrichi grâce à de nouvelles collaborations. Un autre lien fort entre les activités du thème est la maîtrise et l’utilisation de différentes techniques de pointe en optique : l’optique nonlinéaire, l’optique quantique, l’optique guidée, la spectroscopie TF , la plasmonique, le refroidissement laser. Ces techniques sont aussi bien importantes du point de vue du diagnostic et de caractérisation que du principe de dessin de nouveaux dispositifs.
Un premier volet de l’activité du thème porte sur le dessin, l’optimisation et l’étude des dispositifs à transition intersousbande. Ce type de dispositif est abordé sous différents angles : en tant que source de photons dans les domaines spectraux infrarouge et TeraHertz, comme détecteur de photons infrarouges particulièrement performants (imagerie thermique), comme dispositif hybride en optique nonlinéaire guidée pour réaliser des convertisseurs de fréquence intégrés (télécommunications WDM tout optique). Plus récemment, la possibilité d’exploiter ce type de dispositifs pour des expériences d’optique quantique a aussi été démontrée, permettant l’étude d’un nouveau type d’excitons (états hybrides entre photons et excitations intersousbande) dans un régime (dit de couplage ultra-fort) impossible à atteindre avec les excitons interbande.
Un deuxième volet du thème porte sur l’information quantique, abordée aussi bien du point de vue des sources de photons semi-conductrices que du point de vue, plus fondamental, de la réalisation de mémoires quantiques. Concernant l’aspect sources, l’accent a été porté sur l’obtention de sources de photons intriqués ou photons « jumeaux ». Cette voie est explorée aussi bien par la réalisation d’un guide d’onde semi-conducteur permettant l’accord de phase en géométrie contra-propagative que par la réalisation d’une source ou le milieu de gain est aussi le milieu nonlinéaire utilisé pour la génération paramétrique. Le sujet de mémoires quantiques, qui sont un autre élément essentiel des futures chaînes de communication quantique, a été abordé en utilisant l’un des systèmes physiques les mieux contrôlés pour stocker l’information transportée par la lumière : les ions piégés refroidis par laser. Le développement d’un piège « mesoscopique » (contenant quelques centaines d’ions froids) fait aussi partie du thème et se développe de manière transversale entre deux équipes.
Un troisième volet de l’activité scientifique porte sur la modélisation et la réalisation de dispositifs basés sur l’optique nonlinéaire intégrée et sur la propagation guidée. En particulier, l’accent a été mis sur la réalisation de sources accordables monolithiques (pompe+oscillateur paramétrique) dans le domaine de longueurs d’onde d’environ 2 μm par accord de phase dans de guides d’onde hybrides AlGaAs/AlOx. Un autre type de sources entièrement nouveau, basé sur la génération THz par différence de fréquence, prévoit l’utilisation de microdisques semi-conducteurs. Ces structures seront aussi étudiées en vue de leur refroidissement laser basé sur le couplage opto-mécanique. Un troisième aspect porte sur la modélisation d’oscillateurs THz guidés par double couche métallique ainsi qu’à l’obtention de mélanges de fréquences intra-cavité dans des laser THz.
