Soutenance de thèse de Emmanuel LASSALLE

Le contrôle de l'émission spontanée d'émetteurs quantiques est d'une importance capitale dans le développement des futures technologies quantiques, telles que la cryptographie quantique or l'ordinateur quantique. La base de ces applications consiste en la manipulation d'atomes, de molecules ou d'atomes "artificiels", comme sources élémentaires de lumière, et en l'exploitation de la nature quantique de la lumière émise, consistuée de photons uniques. Avec le développement récent des techniques de nanofabrication et des nanotechnologies, la modification de l'émission spontanée par l'environnement est en train d'être explorée au niveau de seulement quelques émetteurs, ouvrant la voie vers un contrôle et une manipulation de l'émission spontanée sans précédent. En parallèle des efforts expérimentaux, une compréhension théorique des méchanismes d'interaction fondamentaux entre émetteurs quantiques et leur environnement devient également capitale. Dans cette thèse, nous considérons l'émission spontanée dans trois paradigmes différents, traitant de la modification de ce processus due à l'interaction avec l'environnement. Dans le premier, on considère le problème du "monitorage" de l'émission spontanée, c'est-à-dire le fait qu'un observateur extérieur puisse modifier le processus d'émission par des mesures fréquentes de l'état du système, ce qui est étroitement relié au problème de la mesure en mécanique quantique. Dans un deuxième temps, on considère l'interaction d'émetteurs quantiques avec les résonances optiques supportées par des structures nanométriques placées à proximité. Enfin, on traite de l'interaction lointaine entre des émetteurs et des surfaces gravées avec des nanostructures fabriquées et positionnées selon un motif particulier, appelées métasurfaces. Nous présentons et utilisons différents formalismes pour modéliser ces différentes situations, qui interfacent différents domaines de la physique comme l'optique quantique et la nanophotonique. Nous illustrons chaque situation par des prédictions théoriques réalistes sur comment l'émission spontanée est modifiée : dans le premier cas, par une altération de la durée de vie de l'émetteur, dans le second cas par une altération de la fréquence du photon qui est émit, et dans la dernière situation comment l'environnement peut induire à longue distance une cohérence quantique chez l'émetteur. Pour chacune de ces prédictions, nous faisons des propositions expérimentales pour de futures confirmations de ces effets, afin d'améliorer notre compréhension et le contrôle de ces processus fondamentaux d'interaction lumière-matière.

The control of the spontaneous emission of quantum emitters is of fundamental importance for the development of future quantum technologies, like quantum cryptography or quantum computing. Such applications rely on the manipulation of atoms, molecules, or "artificial" atoms, as elementary sources of light, and on the exploitation of the quantum nature of the emitted light, single photons. With the recent developments in nanofabrication techniques and nanotechnologies, the modification of the dynamics of the spontaneous emission by the environment is being investigated at the level of a few emitters, allowing for unprecedented control and manipulation of the spontaneous emission. In parallel to the experimental efforts, theoretical understanding of the fundamental interaction mechanisms between the quantum emitters and their environment also becomes more and more essential. In this thesis, we tackled three different paradigms of spontaneous emission, all dealing with the modification due to the interaction with the environment. In the first one, we tackle the problem of monitored spontaneous emission, that is how the processus of emission is modified when the emitting system is being frequently monitored by an external observer, and which is closely related to the problem of measurement in quantum mechanics. Secondly, we consider the interaction between quantum emitters and optical resonances supported by nearby nanostructures. Finally, we deal with the remote interaction between quantum emitters and surfaces engraved with nanostructures which are designed and arranged in specific patterns, so-called metasurfaces. We present and deal with different formalisms to model such different situations, interfacing different fields of physics like quantum optics and nanophotonics. In each of these situations, we illustrate with realistic theoretical predictions how the spontaneous emission is modified: in the first case, how the lifetime of the quantum emitter is altered, in the second case how the frequency of the emitted photon is altered, and in the last situation how the environment may induce remotely quantum coherence in the emitter. For each case, for provide with experimental proposals for future confirmations of these predictions, to bring a better understanding and control over these fundamental processes of light-matter interaction.