A cavity-based spin-photon interface
Institution:
Sorbonne Paris CitéDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
The development of future quantum networks requires an efficient interface between stationary and flying qubits. A promising approach is a single spin of a charge confined in a quantum dot (QD) deterministically coupled to a micropillar cavity. Here we focus on the development of polarization-based photonic gates, whereby the polarization state of a single incoming photon is manipulated through its interaction with the spin state. In this framework, we first investigate the polarization rotation of coherent light interacting with QDcavity systems. We developed a polarization tomography technique allowing to analyze the polarization density matrix of the reflected photons in the Poincaré sphere. We show an excellent injection efficiency of photons into the cavity and a macroscopic rotation of polarization induced by a single neutral quantum dot. To realize efficient photonic gates, the quantum dot fundamental state should correspond to a charged quantum dot, where the confined charge has a spin degree of freedom that can be optically adressed. We thus demonstrate the deterministic assembly of such spin-photon interfaces, that can perform as state-ofthe-art single-photon sources. We then benefit from the macroscopic spin-dependent polarization rotation offered by such cavity-based spin-photon interfaces to demonstrate the macroscopic measurement back action induced on the spin by a single photon detection event. Such a phenomenon highlights the strong correlations between the spin state and the photon polarization. These results open the way toward the realization of entanglement between a spin and a photon emitted by an external source, which is a building block for the implementation of photon-photon gates.
Abstract FR:
La réalisation d’un réseau de communication quantique nécessite la réalisation d’interfaces efficaces entre des qubits stationnaires et messagers. Une approche prometteuse pour cela est le couplage déterministe du spin d’une charge confinée dans une boîte quantique avec une cavité micro-pilier. Nous nous intéressons plus particulièrement ici au développement de portes logiques photoniques, où l’état de polarisation d’un seul photon incident est manipulé par un seul spin.Dans ce contexte, on s’intéresse d’abord à la rotation de polarisation induite par un dispositif de boîte quantique couplée à un micro-pilier. Nous avons développé une technique de tomographie de polarisation,permettant d’analyser la matrice densité de polarisation (représentée dans la sphère de Poincaré) des photons réfléchis. On démontre une excellente efficacité d’injection des photons dans la cavité ainsi qu’une rotation de polarisation macroscopique induite par une seule boîte quantique neutre.Pour réaliser des portes logiques photoniques efficaces, l’état fondamental de la boîte quantique doit correspondre à une boîte quantique chargée, où la charge confinée doit avoir un degré de liberté de spin,manipulable optiquement. On démontre donc la réalisation déterministe d’interfaces spin-photon, qui peuvent notamment être utilisées comme des sources de photons uniques comparables à l’état de l’art.D’autre part, nous utilisons la rotation de polarisation macroscopique induite par un spin unique pour démontrer l’action en retour induite sur l’état de spin par un unique photon détecté. Ce phénomène démontre les fortes corrélations entre l’état de spin et la polarisation d’un photon que l’on est capable d’obtenir avec de telles interfaces.Ces résultats vont dans le sens de la réalisation d’une intrication entre un spin et un photon émis par une source extérieure, ouvrant la voie vers la réalisation de portes logiques entre photons.