La photonique quantique vise à exploiter la nature quantique de la lumière dans le but de développer des technologies innovantes. Au cours de la dernière décennie, les circuits photoniques intégrés sur puce en silicium ont démontré leur aptitude à manipuler des états quantiques de grande dimension, ouvrant la voie vers la réalisation de systèmes complexes. Cependant, la dimension des états quantiques générés est limitée par l’absence d’un composant essentiel : une source pouvant délivrer sur-demande un photon unique dans la puce. Les sources les plus couramment utilisées dans les circuits en silicium se basent sur le mélange à quatre ondes, un phénomène non-linéaire par lequel un photon de pompe se convertit en une paire de photons intriqués (Figure F.1(a)). Ce processus fondamentalement probabiliste ne permet cependant pas la génération sur-demande de photons uniques. Une autre approche consiste à coupler une source déterministe à la puce par fibre optique (Figure F.1(b)), avec une efficacité limitée par les pertes de couplage aux interfaces de la fibre. De façon similaire, l’émission d’une source déterministe embarquée peut être injectée dans un guide d’onde en silicium par couplage evanescent (Figure F.1(c)), avec une efficacité limitée également par les pertes de couplages. Dans ce contexte, l’observation de défauts fluorescents individuels dans le silicium est une découverte majeure. Ces défauts, appelés centre colorés, offrent la perspective de sources atomiques de photons uniques efficacement couplées à un guide d’onde (Figure F.1(d)). Mais bien que plusieurs centres colorés aient démontré leur faculté à émettre des photons dégroupés, leur application en pratique requiert de contrôler leurs propriétés d’émission par des effets d’électrodynamique quantique dans des cavités optiques. Cette thèse de doctorat est consacrée à l’électrodynamique quantique en cavité (CQED) avec des centres colorés du silicium en cavités optiques, en vue de fabriquer une source efficace de photons uniques. Le premier chapître expose les enjeux de la réalisation d’une source de photons uniques exploitant l’émission d’un centre individuel en cavité. Le deuxième chapître présente les méthodes expérimentales et numériques au coeur du mon travail personnel. Le troisième chapître démontre l’exaltation par effet Purcell de l’émission zéro-phonon d’un ensemble de centres G dans une cavité de type micro-anneau. Le quatrième chapître démontre l’accélération par effet Purcell de la recombinaison d’un ensemble de centres W dans des cavités à miroir de Bragg circulaire. Le cinquième chapître est consacré à l’étude de centres W unique et à la démonstration d’une source de photons uniques

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Contacts : Jean-Michel Gérard​ ; Jean-Baptiste Jager​
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