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ENS Cachan - Laboratoire de photonique quantique et moléculaire

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Tests fondamentaux et information quantique

Ancien thème de recherche du LPQM

Tests fondamentaux
Depuis 2003, l'équipe Nanophotonique Quantique a été essentiellement cent­rée sur étudie de sources de photon unique fondées sur la photoluminescence de défauts ponctuels dans le diamant, les centres NV, composé d'un atome d'azote et d'une lacune. Le diamant est un matériau semiconducteur grand gap optiquement transpa­rent dans le visible et le proche infra­rouge. Sa synthèse, en particulier par procédé CVD, permet de contrôler la présence d'impuretés au sein du maté­riau. Ces impuretés peuvent conduire à la formation de centres colorés photoluminescents. Isolés à l'échelle du dé­faut individuel, ces centres colorés peuvent, via le contrôle temporel de leur excitation, émettre des impulsions contenant un photon et un seul, avec la pro­priété remarquable et unique d'être parfaitement photostables à température ambiante.

Dans le cadre de la thèse de Vincent Jacques(2004 - 2007), nous nous sommes intéressés aux expériences d'interférence à un photon. Dans un premier temps, nous avons reproduit celle réalisée en 1986 par Philippe Grangier et Alain Aspect en nous attachant à lui donner un aspect plus visuel en montrant directement sur une ca­méra CCD la formation des franges d'interférence photon par photon. Nous avons ensuite raffiné l'expé­rience. En combinant la source à un photon avec des composants opto-électroniques rapides, nous avons pu réali­ser l'expé­rience « à choix retardé » qui avait été imagi­née par John Archibald Wheeler dans les années soixante-dix et qui était restée jusqu'alors une expé­rience de pensée. Cette expérience, dont les résultats ont été publiés dans Science en 2007 sont en parfait accord avec les prédictions de la mécanique quantique. Elle montre le carac­tère paradoxal de la complémentarité de Bohr qui est souvent présentée comme une réponse facile aux difficultés concep­tuelles de la dualité onde-corpuscule. Cette expérience a fait l'objet d'un médiatisation assez importante : brève du CNRS, article dans la revue Science et Vie, description dans des revues anglo-saxonnes et des sites web de vulgarisation scientifique, etc.

Cryptographie quantique

Les études d'émetteur unique dans le diamant ont porté quasiment exclusivement sur le centre coloré NV qui cor­respond à un complexe azote-lacune dans le réseau cristallin. Ces défauts sont créés à partir des impuretés d'a­zote qui s'insèrent durant la croissance du diamant synthétique ou bien par implanta­tion d'atomes une fois la crois­sance de l'échantillon effectuée. Dans le cadre de la thèse de Wu E, nous avons identifié puis caractérisé à l'é­chelle d'émetteur individuel un autre type de défaut du diamant : le centre coloré associé au complexe nickel-azote NE8. Par rapport au centre coloré NV, le centre NE8 possède un spectre de photoluminescence fin et centré dans le proche infrarouge. Il apparaît ainsi comme particulièrement prometteur au regard des applications vlors de isées pour les communications quantiques, dépassant un certain nombre de limitations imposées par le centre NV dans le système complet de cryptographie quantique que nous avions construit en 2004.

Nous avons étudié les propriétés de photoluminescence de ces centres colo­rés dans des lames de diamant natu­rel. En collaboration avec l'Université de Melbourne, nous avons récemment montré qu'il était possible d'incorporer des impuretés de nickel dans une matrice de diamant synthétisée par CVD dans un réacteur plasma, avec au final des propriétés de photoluminescence identiques à celles de ces mêmes centres colorés dans le diamant naturel. Ce résultat ouvre de nombreuses perspectives pour optimiser le rende­ment d'émission de la source de photon unique.