Source de photons uniques et interférences à un seul photon.
De l'expérience des fentes d'Young au choix retardé.
Résumé
This manuscript is divided in two independant parts.
In the first part, we study the wave-particle duality for a single photon emitted by the triggered photoluminescence of a single NV color center in a diamond nanocrystal. We first present the realization of a single-photon interference experiment using a Fresnel's biprism, in a scheme equivalent to the standard Young's double-slit textbook experiment. We then discuss the complementarity between interference and which-path information in this two-path interferometer. We finally describe the experimental realization of Wheeler's delayed-choice gedanken experiment, which is a fascinating and subtle illustration of wave-particle duality.
The second part of the manuscript is devoted to efficiency improvement of single-photon sources. We first describe the implementation of a new single-photon source based on the photoluminescence of a single nickel-related defect center in diamond. The photophysical properties of such defect make this single-photon source well adapted to open-air quantum cryptography. We finally demonstrate an original method that leads to an improvement of single-molecule photostability at room temperature.
In the first part, we study the wave-particle duality for a single photon emitted by the triggered photoluminescence of a single NV color center in a diamond nanocrystal. We first present the realization of a single-photon interference experiment using a Fresnel's biprism, in a scheme equivalent to the standard Young's double-slit textbook experiment. We then discuss the complementarity between interference and which-path information in this two-path interferometer. We finally describe the experimental realization of Wheeler's delayed-choice gedanken experiment, which is a fascinating and subtle illustration of wave-particle duality.
The second part of the manuscript is devoted to efficiency improvement of single-photon sources. We first describe the implementation of a new single-photon source based on the photoluminescence of a single nickel-related defect center in diamond. The photophysical properties of such defect make this single-photon source well adapted to open-air quantum cryptography. We finally demonstrate an original method that leads to an improvement of single-molecule photostability at room temperature.
Ce mémoire est divisé en deux parties indépendantes.
Dans la première partie, nous étudions la dualité onde-corpuscule pour un photon unique émis par excitation impulsionnelle d'un centre coloré NV individuel dans un nanocristal de diamant. Nous présentons dans un premier temps une expérience d'interférence à un photon réalisée avec un biprisme de Fresnel et par conséquent très proche conceptuellement de l'expérience standard des trous d'Young. Cette expérience permet de discuter de la complémentarité entre interférence et connaissance du chemin suivi par la particule dans l'interféromètre. Pour pénétrer davantage dans les problèmes conceptuels soulevés par la dualité onde-corpuscule, nous décrivons ensuite la réalisation expérimentale de l'expérience de pensée de "choix retardé", qui fût proposée par J. A. Wheeler au début des années soixante-dix.
La deuxième partie du mémoire est dédiée à l'amélioration des performances de sources de photons uniques. Nous décrivons ainsi la mise au point d'une nouvelle source de photons uniques fondée sur l'émission d'un centre coloré individuel à base d'impuretés de nickel dans le diamant, dont les propriétés d'émission sont bien adaptées à la cryptographie quantique en espace libre. Nous avons également mis en oeuvre une technique originale qui améliore de façon significative la photostabilité de molécules individuelles à température ambiante.
Dans la première partie, nous étudions la dualité onde-corpuscule pour un photon unique émis par excitation impulsionnelle d'un centre coloré NV individuel dans un nanocristal de diamant. Nous présentons dans un premier temps une expérience d'interférence à un photon réalisée avec un biprisme de Fresnel et par conséquent très proche conceptuellement de l'expérience standard des trous d'Young. Cette expérience permet de discuter de la complémentarité entre interférence et connaissance du chemin suivi par la particule dans l'interféromètre. Pour pénétrer davantage dans les problèmes conceptuels soulevés par la dualité onde-corpuscule, nous décrivons ensuite la réalisation expérimentale de l'expérience de pensée de "choix retardé", qui fût proposée par J. A. Wheeler au début des années soixante-dix.
La deuxième partie du mémoire est dédiée à l'amélioration des performances de sources de photons uniques. Nous décrivons ainsi la mise au point d'une nouvelle source de photons uniques fondée sur l'émission d'un centre coloré individuel à base d'impuretés de nickel dans le diamant, dont les propriétés d'émission sont bien adaptées à la cryptographie quantique en espace libre. Nous avons également mis en oeuvre une technique originale qui améliore de façon significative la photostabilité de molécules individuelles à température ambiante.
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