Le contrôle des propriétés et la maîtrise du couplage cohérent d'objets quantiques individuels dans une matrice solide sont un enjeu essentiel pour le développement de l'information quantique. Les centres colorés dans le diamant, équivalent aux molécules artificielles, présentent des caractéristiques qui sont très prometteuses pour la réalisation d'une telle application. Parmi les centres colorés, le centre NV (azote-lacune) est le plus intéressant, dû en particulier à sa grande photostabilité à température ambiante. Le travail de cette thèse est consacré à l'étude des propriétés optiques et électroniques des centres colorés NV à température ambiante. / Researches over the past decade in many fields of science, including physics, chemistry have initiated the dream of building computers that work according to the rules of quantum mechanics, and computer and quantum information have been proposed. The Nitrogen-Vacancy color center in diamond is one of the most promising candidate due to several advantages: no blinking and no photo bleach at room-temperature, single photon generation, electron spin manipulated with microwave and readout optically. This thesis concentrates on the study of optical and spin properties of NV color center.

Le contrôle des propriétés et la maîtrise du couplage cohérent d'objets quantiques individuels dans une matrice solide sont un enjeu essentiel pour le développement de l'information quantique. Les centres colorés dans le diamant, équivalent aux molécules artificielles, présentent des caractéristiques qui sont très prometteuses pour la réalisation d'une telle application. Parmi les centres colorés, le centre NV (azote-lacune) est le plus intéressant, dû en particulier à sa grande photostabilité à température ambiante. Le travail de cette thèse est consacré à l'étude des propriétés optiques et électroniques des centres colorés NV à température ambiante.

La photodétection est un sujet de recherche très actif encore de nos jours et l’industrie, particulièrement de la physique des hautes énergies et de l’imagerie médicale, est en quête de détecteurs avec une plus grande sensibilité, de meilleures résolutions temporelles et une plus grande densité d’intégration. Pour ces raisons, les photodiodes avalanche à photon unique (Single photon avalanche diode, ou SPAD) suscitent beaucoup d’intérêt depuis quelques années pour ses performances en temps et sa grande photosensibilité. Les SPAD sont des photodiodes avalanche opérées au-dessus de la tension de claquage et un photoporteur atteignant la région de multiplication peut à lui seul déclencher une avalanche soutenue de porteurs et entraîner le claquage de la jonction. Un circuit détecte le courant divergent et l’étouffe en abaissant la polarisation de la jonction sous la tension de claquage. Le circuit recharge ensuite la jonction en réappliquant la tension initiale permettant la détection d’un nouveau photon. Dans le but d’augmenter le nombre de photons simultanés détectables, les SPAD s’intègrent en matrice. Cependant, dans le cas où une matrice de SPAD et leurs circuits d’étouffement s’intègrent sur le même substrat, la surface photosensible devient limitée par l’espace qu’occupent les circuits d’étouffement. Dans le but d’augmenter leur région photosensible, les matrices de SPAD peuvent s’intégrer en trois dimensions (3D) avec leurs circuits d’étouffement. Ce projet porte sur le développement de matrices de SPAD en technologie CMOS HV 0,8 µm de Teledyne DALSA dédiées à une intégration 3D avec leurs circuits d’étouffement actifs. Les résultats de caractérisation montrent que les SPAD atteignent une résolution temporelle de 27 ps largeur à mi hauteur (LMH), possèdent un taux de comptage en obscurité (DCR, ou Dark Count Rate) de 3 s[indice supérieur -1]µm[indice supérieur -2] et ont une probabilité de photodétection (PDP) de 49 %. De plus, une méthode d’isolation utilisant un puits p a été développée. Les SPAD conçus avec cette méthode ont un facteur de remplissage pouvant atteindre 54 % et une probabilité de diaphonie de 6,6 % à une tension excédentaire à la tension de claquage (V[indice inférieur E]) de 4 V.

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Cette thèse a été consacrée à l'étude théorique et expérimentale du couplage contrôlé de la source de photon unique (SPS) aux structures photoniques multidimensionnelles, par l'utilisation de la méthode dite écriture directe par laser (DLW) par absorption ultra-faible à un photon (LOPA). La thèse est constitutée de trois parties principales suivantes:La première partie concerne le caractérisation et l'optimisation des dots quantiques (QD) colloïdaux CdSe/CdS. La dépendance de la longeur d'onde d'excitation a été étudiée. En utilisant une excitation à 532 nm, seul le core est excité et l’effet d'Auger est donc supprimé. Cette approche permet donc d'obtenir avec la suppression de la commutation intermittente et une source de photon unique très stable à température ambiante. Afin d’obtenir une meilleure performance des QDs sur une longue période, nous avons ensuite étudié l'influence du milieu dans lequel les QDs sont logés sur leurs propriétés optiques. En intégrant les QDs dans les matrices de polymère SU-8, nous avons montré que l'environnement polymérique permet non seulement de conserver de bonnes caractéristiques des QDs CdSe/CdS avec une photostabilité élevée, mais également de nous offrir une excellente accessibilité à la fabrication des structures en polymère contenant une particule unique.Dans la deuxième partie, la technique LOPA DLW est utilisée pour le couplage des QDs uniques dans diverses structures photoniques. Deux dispositifs, l’antenne du type ''pilier diélectrique'' sous-lambda et la membrane de réseau circulaire (cavité du type ''bulleye''), ont été étudiés théoriquement et expérimentalement pour améliorer l’émission du QD couplé en termes de l'émission spatiale et de l’émission radiative spontanée de l’émetteur.Dans la troisième partie, la manipulation de la SPS est démontrée en couplant le QD unique à des structures magnéto-photoniques multidimensionnelles. À l'aide d'un champ magnétique externe, le mouvement contrôlable d'un seul QD a été démontré dans un environnement fluidique. En contrôlant l'amplitude et l'orientation du champ magnétique externe, la position et l'orientation de la SPS à base d'un QD ont été manipulées à la demande. Les propriétés optiques, magnétiques et mécaniques des dispositifs magnéto-photoniques hybrides ont été étudiées pour montrer les capacités multifonctionnelles de telles structures. / The thesis has been devoted to study the controlled coupling of a colloidal quantum dot (QD) based single photon source (SPS) into multidimensional polymeric photonic structures by using low-one photon absorption (LOPA) direct laser writing (DLW) technique. The thesis consists of three main parts:The first part addresses the characteristic optimization of the CdSe/CdS based SPS. The excitation wavelength dependence of the QDs was investigated. By using 532 nm, only the core of the QD is excited with the suppression of the Auger effects. Thus, this approach allows for obtaining the suppression of fluorescence intermittency and a stable single-photon emission at ambient conditions. In order to obtain the long-term high fluorescence quality of the QDs, we then studied the influence of the local dielectric medium on the optical properties of the QDs. By incorporating the QDs into a photoresist (SU-8), we demonstrated that the polymeric environment not only enables the long-term preservation of the QD with high photostability but also provides us excellent accessibility to fabricate polymeric structures containing SPS.In the second part, the LOPA-based DLW is employed for the coupling of single QD into various photonic structures. Two devices including submicropillar dielectric antenna and 3D membrane bulleye cavity are theoretically and experimentally investigated to enhance the fluorescence emission of the single QD in terms of far-field angular radiation pattern and the spontaneous radiative emission of the emitter.In the third part, the manipulation of SPS is demonstrated by coupling the single QD into multidimensional magneto-photonic structures. With the aid of an external magnetic field, the controllable movement of the coupled QD was performed in the fluidic environment. The position and orientation of the SPS coupled in the structure were manipulated on demand. The mechanical, magnetic and optical properties of the device are investigated showing the multifunctional capabilities of magneto-photonic structures.

Ce mémoire de thèse a pour sujet l'étude théorique des propriétés non-classiques de la lumière émise par les microcavités semiconductrices dans le régime de couplage fort. Dans ce cadre, nous avons étudié ces structures comme des sources de photons uniques ou de photons jumeaux. Nous avons démontré dans un premier temps l'opportunité de créer une source de lumière de statistique sub-poisonnienne à partir de structures photoniques confinées. Pour des boîtes photoniques suffisamment étroites au sein de microcavités semiconductrices, on atteint un régime non-linéaire tel que l'introduction d'un seul photon suffit à décaler la résonance d'absorption de la structure de plus d'une largeur de raie, engendrant le phénomène de blocage quantique. Nous avons montré qu'en utilisant ce mécanisme de blocage, il est possible de créer une source de photons uniques originale, dont nous avons présenté les caractéristiques. Nous avons présenté les différents aspects de son fonctionnement tant en régime continu qu'en régime pulsé. Dans un deuxième temps, nous avons étudié les propriétés de corrélation entre paires signal et complémentaire émises par fluorescence paramétrique dans une configuration d'excitation symétrique dans une microcavité planaire. En utilisant l'algorithme de Monte Carlo quantique, nous avons montré qu'il existe des corrélations quantiques entre ces deux faisceaux. En étudiant l'impact du désordre (qui brise l'invariance par translation) de la cavité sur ces corrélations, nous montrons que celui-ci dégrade le caractère quantique des corrélations lorsque l'intensité de l'excitation est modérée. La dépendance en intensité des corrélations quantiques entre faisceaux a été caractérisée au-dessus et en-dessous du seuil d'instabilité paramétrique, nous permettant d'identifier le régime où le caractère non-classique du système est maximal.

Dans ce travail de thèse nous nous sommes intéressés à une catégorie spécifique d'états quantiques de la lumière : les états non-gaussiens. Ces états ont la particularité de présenter des fonctions de Wigner à valeurs négatives. Cette propriété est indispensable pour réaliser des opérations de calcul quantique mais trouve aussi des applications variées en communication quantique ou métrologie par exemple. Différentes stratégies peuvent être utilisées pour générer de tels états. Ici, les ressources initiales sont des états dit gaussiens produits par des oscillateurs paramétriques optiques en régime continu (i.e. vide comprimé bi-mode et mono-mode). Le caractère non-gaussien ne peut être obtenu que par des phénomènes non-linéaires (hamiltonien sur-quadratique). Dans notre cas, la non-linéarité est induite par des mesures basées sur le comptage de photon (aussi appelées mesures non-gaussiennes). Cette étude est principalement divisée en deux parties. Tout d'abord, la génération d'états non-classiques correspondants à deux types d'encodages de qubits : le photon unique, utilisé en information quantique dite à variables discrètes, et la superposition d'états cohérents (chat de Schrödinger optique), utilisée en information quantique dite à variables continues. Ces états ont ensuite été utilisés pour mettre en \oe{}uvre deux protocoles d'information quantique. Le premier porte sur un témoin d'intrication en photon unique, l'autre sur la génération d'intrication entre deux types d'encodages (aussi appelée intrication hybride).

La photod??tection est un sujet de recherche tr??s actif encore de nos jours et l???industrie, particuli??rement de la physique des hautes ??nergies et de l???imagerie m??dicale, est en qu??te de d??tecteurs avec une plus grande sensibilit??, de meilleures r??solutions temporelles et une plus grande densit?? d???int??gration. Pour ces raisons, les photodiodes avalanche ?? photon unique (Single photon avalanche diode, ou SPAD) suscitent beaucoup d???int??r??t depuis quelques ann??es pour ses performances en temps et sa grande photosensibilit??. Les SPAD sont des photodiodes avalanche op??r??es au-dessus de la tension de claquage et un photoporteur atteignant la r??gion de multiplication peut ?? lui seul d??clencher une avalanche soutenue de porteurs et entra??ner le claquage de la jonction. Un circuit d??tecte le courant divergent et l?????touffe en abaissant la polarisation de la jonction sous la tension de claquage. Le circuit recharge ensuite la jonction en r??appliquant la tension initiale permettant la d??tection d???un nouveau photon. Dans le but d???augmenter le nombre de photons simultan??s d??tectables, les SPAD s???int??grent en matrice. Cependant, dans le cas o?? une matrice de SPAD et leurs circuits d?????touffement s???int??grent sur le m??me substrat, la surface photosensible devient limit??e par l???espace qu???occupent les circuits d?????touffement. Dans le but d???augmenter leur r??gion photosensible, les matrices de SPAD peuvent s???int??grer en trois dimensions (3D) avec leurs circuits d?????touffement. Ce projet porte sur le d??veloppement de matrices de SPAD en technologie CMOS HV 0,8 ??m de Teledyne DALSA d??di??es ?? une int??gration 3D avec leurs circuits d?????touffement actifs. Les r??sultats de caract??risation montrent que les SPAD atteignent une r??solution temporelle de 27 ps largeur ?? mi hauteur (LMH), poss??dent un taux de comptage en obscurit?? (DCR, ou Dark Count Rate) de 3 s[indice sup??rieur -1]??m[indice sup??rieur -2] et ont une probabilit?? de photod??tection (PDP) de 49 %. De plus, une m??thode d???isolation utilisant un puits p a ??t?? d??velopp??e. Les SPAD con??us avec cette m??thode ont un facteur de remplissage pouvant atteindre 54 % et une probabilit?? de diaphonie de 6,6 % ?? une tension exc??dentaire ?? la tension de claquage (V[indice inf??rieur E]) de 4 V.

Approche hybride du traitement quantique de l'information La dualité onde-particule a conduit à deux façons d'encoder l'information quantique, les approches continues et discrètes. L'approche hybride a récemment émergé, et consiste à utiliser les concepts et boites à outils des deux approches, afin de venir à bout des limitations intrinsèques à chaque champ. Dans ce travail de thèse, nous allons dans une première partie utiliser des protocoles hybrides de façon à générer des états quantiques non-gaussiens de la lumière. A l'aide d'oscillateurs paramétriques optiques, et de détecteur de photons supraconducteurs, nous pouvons générer des photons uniques extrêmement purs très efficacement, ainsi que des états chats de Schrödinger, qui permettent d'encoder l'information en variables continues. Nous montrons également en quoi des opérations de variables continues peuvent aider cette génération. La méthode utilisée, basée sur la génération " d'états-noyaux " rend en outre ces états plus robustes à la décohérence. Dans une seconde partie, dans le contexte d'un réseau hétérogène, basé sur différents encodages, relier de façon quantique les deux mondes, nécessite l'existence d'intrication hybride de la lumière. Nous introduisons la notion d'intrication hybride, entre des états continus et discrets, et nous en montrons une première application qui est la génération à distance de bit quantique continu. Nous implémentons ainsi également une plateforme polyvalente permettant la génération d'états " micro-macro " intriqués. / In quantum information science and technology, two traditionally-separated ways of encoding information coexist -the continuous and the discrete approaches, resulting from the wave-particle duality of light. The first one is based on quadrature components, while the second one involves single photons. The recent optical hybrid approach aims at using both discrete and continuous concepts and toolboxes to overcome the intrinsic limitations of each field. In this PhD work, first, we use hybrid protocols in order to realize the quantum state engineering of various non-Gaussian states of light. Based on optical parametric oscillators and highly-efficient superconducting-nanowire single-photon detectors, we demonstrate the realization of a high-brightness single-photon source and the quantum state engineering of large optical Schrödinger cat states, which can be used as a continuous-variable qubit. We show how continuous-variable operations such as squeezing can help in this generation. This method based on so-called core states also enables to generate cat states that are more robust to decoherence. Second, in the context of heterogeneous networks based on both encodings, bridging the two worlds by a quantum link requires hybrid entanglement of light. We introduce optical hybrid entanglement between qubits and qutrits of continuous and discrete types, and demonstrate as a first application the remote state preparation of continuous-variable qubits. Our experiment is also a versatile platform to study squeezing-induced micro-macro entanglement.

Dans ce travail, nous étudions théoriquement et expérimentalement le couplage entre une nanoparticule unique de différentes natures, comme fluorescente, non-linéaire, plasmonique, etc., et une structure photonique en matériau polymère. Dans un premier temps, nous avons optimisé la méthode dite écriture directe par laser par absorption à un photon pour réaliser des structures photoniques de bonne qualité à la demande. Ensuite, nous avons également exploité l'effet thermique induit par le laser d’excitation continue, pour simplifier la méthode de fabrication LOPA et améliorer les structures fabriquées. Puis nous avons introduit de façon précise une seule nanoparticule unique à un endroit désiré dans la structure photonique. Le couplage nanoparticule/structure photonique a été réalisé par le même système optique. Ce couplage a été démontré par une augmentation du nombre de photon émis par la nanoparticule fluorescente et par une forte amélioration du signal de génération de seconde harmonique. Parallèlement, nous avons effectué des calculs numériques par la méthode FDTD pour prédire les propriétés optiques intéressantes des structures photoniques et pour confirmer les résultats expérimentaux. / In this study, we investigate theoretically and experimentally the nanoparticles/photonic structures coupling. In detail, the work focuses on the elaboration and applications of structured polymer materials, as well as the manipulation of optical properties of various kinds of nano-objects such as gold nanoparticles, magnetic and nonlinear nanoparticles, etc. The coupling of each kind of nanoparticles addresses a specific goal. In order to conduct research, we first build and test an optical confocal setup, which allows us to both image and fabricate nanostructures at a sub-lambda resolution. Besides, we propose a method exploiting the thermal effect caused by a continuous-wave laser source to optimize 2D and 3D structures realized by low one-photon absorption (LOPA)-based direct laser writing (DLW). Then by using this technique, we are capable of precisely determining the position and embedding various kinds of nanoparticles (gold nanoparticles, nonlinear nanoparticles, and magnetic nanoparticles) into arbitrary polymeric photonic structures. The characterization of the fabricated structures is carried out using the same confocal setup. We demonstrate a good enhancement of the optical properties of the nanoparticles embedded inside photonic structures. We also perform numerical calculations by using a FDTD method to confirm the experimental results.