Refroidissement des spins nucléaires pour la génération de longues chaines de photons intriqués par une boîte quantique de semiconducteurs III-V // Nuclear spin cooling for the generation of long photon cluster states by a III-V semiconductor quantum dot

Dans le contexte des technologies quantiques photoniques, les boîtes quantiques auto-assemblées de semi-conducteur III-V constituent aujourd'hui une des plateformes les plus prometteuses pour implémenter des protocoles de calcul quantique ou pour servir de mémoire quantique au sein d'un réseau quantique. En étant intégrées à des dispositifs photoniques tels que des cavités en forme de pilier, elles deviennent d'excellentes sources de photon unique. Il est par ailleurs possible de les charger par un électron ou un trou (une lacune électronique) et d'utiliser le spin 1/2 de cette charge comme ressource quantique supplémentaire. L'interaction spin-orbite conduit en effet à des règles de sélection optique permettant d'intriquer le spin avec la polarisation d'un photon émis. De nombreuses démonstrations ont déjà prouvé tout le potentiel de ce système, notamment pour la génération d'états clusters de photon (une succession de photons multi-intriqués) qui sont des états ressources essentiels pour implémenter de manière efficace des protocoles de calcul quantique optique. Cependant, ces boîtes quantiques ont le très gros défaut de présenter un temps de cohérence de spin fortement réduit à quelques ns, à cause de l'interaction hyperfine avec l'ensemble désordonné des spins nucléaires inhérents aux éléments III-V qui les composent. Cela limite notamment la taille et la qualité des états clusters de photon. Très récemment des techniques optiques exploitant le splitting Zeeman des spins nucléaires dans un champ magnétique de plusieurs Teslas ont permis de réduire l'entropie des spins nucléaires dans les boîtes quantiques et ont démontré toute leur efficacité pour augmenter le temps de cohérence de spin d'au moins deux ordres de grandeur. L'objectif du projet doctoral est de mettre en place ce type de 'refroidissement' des spins nucléaires pour les boîtes quantiques en cavité micropillier qui sont fabriqués et étudiés au C2N en collaboration avec la Société Quandela, et de l'étendre au régime des faibles champs magnétiques (idéalement <100mT) pour le rendre compatible avec le protocole de génération des états clusters.
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In the context of photonic quantum technologies, self-assembled III-V semiconductor quantum dots are today one of the most promising platforms for implementing quantum computing protocols or serving as quantum memory within a quantum network. When integrated into photonic devices such as pillar-shaped cavities, they become excellent single-photon sources. It is also possible to load them with an electron or a hole (an electron vacancy) and use the spin 1/2 of this charge as an additional quantum resource. The spin-orbit interaction leads indeed to optical selection rules that allow spin to be entangled with the polarization of an emitted photon. Numerous demonstrations have already demonstrated the full potential of this system, notably for the generation of photon cluster states (a succession of multi-entangled photons), which are essential resource states for efficiently implementing optical quantum computing protocols. However, these quantum dots have the very serious drawback of presenting a spin coherence time greatly reduced to a few ns, due to the hyperfine interaction with the disordered set of nuclear spins inherent in the III-V elements of which they are composed, which for example limits the size and quality of photon cluster states. Very recently, optical techniques exploiting Zeeman splitting of nuclear spins in a magnetic field of
several Teslas have made it possible to reduce the entropy of nuclear spins in quantum dots, and have demonstrated their effectiveness in increasing the spin coherence time by at least two orders of magnitude.The aim of the doctoral project is to implement this type of nuclear spin 'cooling' for the micropillar cavity quantum dots being fabricated and studied at C2N in collaboration with Quandela, and to extend it to the low magnetic field regime (ideally <100mT) to make it compatible with the cluster state generation protocol.
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Début de la thèse : 01/10/2025

Programme COFUND LIGHTinPARIS

Université Paris-Saclay GS Physique

572 Ondes et Matière

Nous accueillons d'excellents étudiants ayant une solide formation en physique quantique, incluant de préférences de bonnes connaissance en physique de l'état solide et en optique quantique. L'étudiant doit par ailleurs avoir un réel goût pour les études expérimentales, démontré par une première expérience de laboratoire au niveau master.
We welcome excellent students with solid training in quantum physics, ideally including good knowledges in condensed matter physics and quantum optics. He/she should also have a real taste for experimental studies, demonstrated by internships during his/her master studies.