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Single spins in solids are good candidates for implementing quantum bits for quantum information processing thanks to their long coherence times. However, being individual atomic-scale quantum objects, they are difficult to address and to entangle with one another. This thesis work explores two distinct but related approaches for manipulating and detecting single spins, both involving comparable hybrid circuit quantum electrodynamics platforms operated at millikelvin temperatures. In the first approach, single electron spin resonance (ESR) is demonstrated by spin fluorescence detection: a microwave photon counter is used to detect the photon emitted by an excited spin. The spins are paramagnetic erbium ions in a scheelite crystal, and are coupled magnetically to a high-quality factor planar superconducting resonator. They are detected individually with a signal-to-noise ratio of 1.9 in a one second-integration time. The fluorescence signal shows anti-bunching, proving that it comes from individual emitters. Coherence times up to 3 ms are measured, limited by the engineered spin radiative lifetime. This single-spin quantum control experiment also opens the route to new applications of ESR, in particular for microscopic object characterization. In the second approach, the detection of spins is based on leveraging the charge degree of freedom of hole spins and their strong intrinsic spin-orbit interaction. We demonstrate a compact novel platform made of electrostatically defined quantum dots in AlGaAs/GaAs heterostructure, filled with hole spins by optical illumination. The spins are coupled electrically to a superconducting resonator for probing their charge and spin states. Using this resonator as a dispersive readout, we show that single charge tunneling events in the dots can be detected after illumination. This represents a critical step towards addressing single hole spin in a semiconductor. Overall, the two methods reported in this thesis open new avenues for the development of quantum sensing and quantum computing applications.; Les spins uniques dans les solides sont de bons candidats pour la mise en œuvre de bits quantiques pour le traitement de l'information quantique grâce à leurs longs temps de cohérence. Cependant, en tant qu'objets quantiques individuels à l'échelle atomique, ils sont difficiles à traiter et à enchevêtrer les uns avec les autres. Ce travail de thèse explore deux approches distinctes mais liées pour manipuler et détecter des spins uniques ; toutes deux utilisent des circuits quantiques hybrides fonctionnant à des températures de l'ordre du millikelvin. Dans la première approche, la résonance paramagnétique électronique (RPE) de spins individuels est démontrée en détectant leur fluorescence : un compteur de photons micro-onde détecte le photon émis par un spin excité. Les spins utilisés sont des ions paramagnétiques d'erbium dans un cristal de scheelite, et sont couplés magnétiquement à un résonateur planaire supraconducteur de facteur de qualité élevé. Ils sont détectés individuellement avec un rapport signal/bruit de 1,9 en une seconde. Le signal de fluorescence présente de l'antibunching (dégroupement), prouvant ainsi qu'il provient d'émetteurs individuels. Des temps de cohérence allant jusqu'à 3 ms sont mesurés, limités par le temps de vie radiatif du spin. Cette expérience de contrôle quantique d'un spin unique ouvre également la voie à de nouvelles applications de RPE, notamment pour la caractérisation d'objets microscopiques. Dans la seconde approche, la détection des spins est basée sur l'exploitation du degré de liberté de charge des spins de trous et de leur forte interaction spin-orbite intrinsèque. Nous démontrons une nouvelle plateforme compacte composée de boîtes quantiques définis électrostatiquement dans l'AsGa, et pré-remplis de spins de trous par illumination dans le domaine optique ; les spins sont couplés électriquement à un résonateur supraconducteur pour sonder leurs états de charge et de spin. En utilisant ce résonateur en régime de lecture dispersive, nous montrons que des sauts de charge unique dans les boîtes quantiques peuvent être détectées après l'illumination. Il s'agit d'une étape cruciale dans l'étude du spin d'un trou unique dans un semi-conducteur. Dans l'ensemble, les deux méthodes présentées dans cette thèse ouvrent de nouvelles voies pour le développement des capteurs quantiques et du traitement quantique de l'information.

Quantum dots are a key building block for quantum technologies as they are able to generate single photons or entangled photon pairs. The deterministic fabrication of sources based on quantum dots in cavities paves the way towards scalability: we show for the first time that it is possible to obtain homogeneous properties, by studying in detail 15 of our sources. Each characteristic of the quantum dots’ emission is measured with a specific setup. Among them, the indistinguishability is accessible through the visibility of the Hong-Ou-Mandel interference. We study how this latter quantity is affected by the presence of additional photons, depending on the nature of that noise. We thus derive a formula to deduce the true single-photon indistinguishability from the measured visibility and apply it to our sources. Finally, the properties of the emission from quantum dots is deeply related to their charge state and symmetry. We propose a new way to control the exciton’s symmetry by applying three voltages via a specific structure. This experimental study opens the way to the reproduciblegeneration of entangled photon pairs with a high brightness as well as frequency-encoded qubits.; Les boîtes quantiques sont des éléments clés pour le développement des technologies quantiques car elles peuvent générer desphotons uniques et des paires de photons intriqués. La fabrication déterministe de sources à base de boîtes quantiques en cavité ouvre la voie vers leur utilisation à grande échelle : nous montrons ainsi pour la première fois qu’il est possible d’obtenir des propriétés homogènes, en étudiant en détails 15 de nos sources. Chacune des caractéristiques de l’émission des boîtes quantiques est mesurée avec un montage expérimental spécifique. Parmi celles-ci, l’indiscernabilité est accessible via la visibilité de l’interférencede Hong-Ou-Mandel. Nous étudions comment cette dernière quantité est affectée par la présence de photons additionnels, selon la nature de ce bruit. Nous dérivons ainsi une formule pour déduire la vraie indiscernabilité des photons uniques à partir de la visibilité mesurée, et nous l’appliquons à nos sources. Enfin, les propriétés de l’émission des boîtes quantiques sont profondément liées à leur état de charge et à leur symétrie. Nous proposons une nouvelle façon de contrôler le dédoublement de structure fine de l’exciton en appliquant trois tensions électriques via une structure de contact déporté. Cette étude expérimentale ouvre la voie à la génération reproductible de paires de photons intriqués avec une grande brillance, ainsi que de qubits encodés en fréquence.

The second quantum revolution is underway with the promise of harnessing the full potential of quantum mechanics to develop new technologies. Among these innovations, the field of quantum information theory proposes a new paradigm to perform computation, outside of the classical computing framework based on 0/1 bit of information. Quantum computing offers a way to solve physics and computational problems that cannot be solved in reasonable time by classical computers by introducing quantum-bits (qubits) and quantum logic gates. However, quantum computers are prone to errors, requiring them to encode information from a single logical into multiple physical qubits. Thus, a universal quantum computer outperforming today’s supercomputers involves the control of millions of qubits, far from the dozens of qubits in current systems. In this context, spin qubits in quantum-dot (QD) arrays are a good candidate thanks to their compatibility with standard semiconductor manufacturing.In this thesis, we focus on the charge control of electrons inside arrays of quantum-dots. On the one hand, we demonstrate remote charge sensing in a CMOS nanowire, using an embedded single-lead quantum-dot (SLQD) electrometer. A unique electrode operates each QD, and the device is fabricated on a silicon-on-insulator 300-mm industry-standard fabrication line. We develop different detection schemes to compensate for the device’s strong capacitive couplings due to its dense packing. Consequently, we control the different double quantum-dots in a 2x2 QD array and probe the Coulomb disorder inside the structure.On the other hand, we demonstrate a scalable QD array formed by shared control gates with row/column addressing in a GaAs/AlGaAs heterostructure. Like classical integrated circuits, large-scale quantum-dot arrays must rely on shared controls to reduce the number of interconnects to √N, with N the number of QDs. Here, we show the charge control of electrons in a scalable 2x2 QD array isolated from the reservoirs. We characterize the array using the constant interaction model and assess its scalability. To conclude, these two experiments path the way towards charge controls in large-scale semiconductor QD arrays., La seconde révolution quantique est en cours et porte la promesse d'exploiter tout le potentiel de la mécanique quantique afin de développer de nouvelles technologies. Parmi ces innovations, le domaine de l'information quantique propose un nouveau paradigme de calcul, en dehors de l’ordinateur classique basé des bits d'information 0 ou 1. L'informatique quantique offre un moyen de résoudre des problèmes de physique et de calcul qui ne peuvent pas être résolus en un temps raisonnable par les ordinateurs classiques en introduisant des bits quantiques (qubits) et des portes logiques quantiques. Cependant, les ordinateurs quantiques sont sujets à des erreurs, ce qui les oblige à encoder l’information d'un qubit logique dans plusieurs qubits physiques. Ainsi, un ordinateur quantique universel surpassant les meilleurs supercalculateurs actuels implique le contrôle de millions de qubits, loin des dizaines de qubits des systèmes actuels. Dans ce contexte, les qubits de spin dans des tableaux de boîtes quantiques (BQ) sont un bon candidat grâce à leur compatibilité avec les processus de fabrication de l’industrie des semi-conducteurs.Dans cette thèse, nous développons la manipulation d’électrons à l'intérieur de réseaux de boîtes quantiques. D'une part, nous démontrons la détection de charge dans un nanofil CMOS à l'aide d'un électromètre intégré avec une boîte quantique reliée à un réservoir. Une unique électrode contrôle chaque BQ, et le dispositif est fabriqué sur une ligne de fabrication industriel. Nous développons différents schémas de détection pour compenser les forts couplages capacitifs du système, en raison de sa petite taille. Cela nous permet de contrôler les différents doubles boîtes quantiques dans un tableau 2x2 BQ et de sonder le désordre coulombien à l'intérieur de la structure.D'autre part, nous réalisons un tableau de BQ formé par des grilles de contrôles partagées avec un adressage ligne / colonne dans une hétérostructure GaAs / AlGaAs. Comme dans les circuits intégrés classiques, les réseaux de boîtes quantiques à grande échelle doivent s'appuyer sur des contrôles partagés pour réduire le nombre d'interconnexions à √N, avec N le nombre de BQ. Ici, nous montrons le contrôle d’électrons dans un tableau de 2x2 BQ isolé des réservoirs. Nous caractérisons le tableau à l'aide du modèle d'interaction constante et évaluons son évolutivité. Pour conclure, ces deux expériences mènent à contrôler la charge dans des matrices de BQ en semi-conducteurs à grande échelle.

A photonic wire antenna shapes the emission of a quantum dot (QD) into a directional beam, which can be efficiently collected by free-space optics. These photonic structures find applications in the emission of non-classical states of light (single photons, entangled pairs of photons) or in the generation of giant non-linearities, at the level of a single photon. This thesis contributes to a better understanding of the optical properties of InAs QDs integrated in photonic wire antennas through two main results. We first demonstrate an all-optical - and therefore non-destructive - technique for precisely locating a QD in a section of the antenna. The position of the emitter is important because it conditions the strength of the light-matter interaction within the antenna, as well as the coupling of the QD to certain spectral decoherence channels. The proposed technique exploits the emission of the QD in two guided modes which present different spatial profiles and is based on a measurement of the angle-resolved far-field map. The second study focuses on spin-flip mechanisms that couple the exciton states of a neutral QD. These spin-flips are a source of decoherence. To reveal them, we integrate the QD into an anisotropic photonic structure (here a photonic wire with an elliptical cross section). Polarization measurements combined with time-resolved measurements of the photoluminescence decay then allow determining the spin-flip rates. We present a study of the influence of the temperature and of the non-resonant excitation power., Une antenne à fil photonique permet de façonner l’émission d’une boîte quantique (BQ) en un faisceau directif, qui peut être collecté efficacement par des optiques en espace libre. Ces structures photoniques trouvent des applications dans l’émission d’états non classiques de la lumière (photons uniques, paires de photons enchevêtrés) ou dans la génération de non-linéarités géantes, à l’échelle du photon unique. Cette thèse contribue à une meilleure compréhension des propriétés optiques des BQs InAs intégrées dans des antennes à fil photonique à travers deux résultats principaux. Nous démontrons tout d’abord une technique tout optique - et donc non destructive - pour localiser précisément une BQ dans une section de l’antenne. La position de l’émetteur est importante car elle conditionne la force de l’interaction lumière-matière au sein de l’antenne, ainsi que le couplage de la BQ à certains canaux de décohérence spectrale. La technique proposée exploite l’émission de la BQ dans deux modes guidés qui présentent des profils spatiaux différents et s’appuie sur une cartographie du champ lointain résolue en angle. La seconde étude porte sur les mécanismes de spin-flip qui couplent les états excitoniques d’une BQ neutre. Ces spin-flips constituent une source de décohérence. Pour les révéler, nous intégrons la BQ dans une structure photonique anisotrope (ici un fil photonique avec une section elliptique). Des mesures de polarisation et de déclin de la photoluminescence résolu en temps donnent alors accès aux taux de spin-flips. Nous étudions en particulier l’influence de la température et de la puissance d’excitation non-résonante.

During this thesis, we have studied the competition between two many-body effects: the Kondo effect, which is the screening of a localized magnetic moment by the conduction electrons of a conductor, and proximity induced superconductivity. The competition between these two effects has been already investigated at equilibrium, by monitoring the current phase relation of carbon nanotube-based Josephson junctions. These experiments have revealed phase and gate dependent quantum transitions between the magnetic doublet state and the Kondo screened singlet non-magnetic state of the nanotube. In the present work we show that this transition can be dynamically induced by exploring the AC Josephson emission. The AC Josephson emission can be measured by coupling the carbon nanotube to an on-chip quantum detector via a resonant coupling circuit. Experimental results show that this emission is strikingly reduced in the gate region where the critical current is enhanced due to the interplay of the Kondo effect and superconducting proximity effect. By comparing our data to numerical renormalization group calculations, we showed that the collapse of AC Josephson emission is due to the dynamics of quasiparticle in the quantum dot which induce a transition between a singlet ground state and a doublet excited state.To improve our detection methods at low temperatures, we performed two other experiments. In the first experiment, we have tested new homemade filtering of DC lines in a cryo-free dilution refrigerator, by measuring the electronic temperature of a single electron transistor. In the second experiment, we have designed and measured a new type of superconducting micro-resonator, based on a high kinetic inductance material, namely tungsten nanowiresdeposited using a helium focus ion beam. This kind of resonator can be very useful to improve the resonant coupling for on-chip detection and more generally to engineer a compact non-linear high impedance superconducting element for quantum electronics.; Au cours de cette thèse nous avons étudié la compétition entre deux types d'états fortement corrélés : l'effet Kondo, qui correspond à l'écrantage d'un moment magnétique isolé par les électrons de conduction d'un métal, et l'effet de proximité supraconducteur. Cette compétition a déjà été sondée à l'équilibre, en mesurant la relation courant-phase dans des jonctions Josephson à base de nanotube de carbone. Ces expériences ont révélé que l'état fondamental du système pouvait être soit un état doublet magnétique ou bien un état singulet non-magnétique et qu'une transition entre ces deux états pouvait être contrôlée par une tension grille ou bien par la phase supaconductrice. Dans ce travail de thèse nous avons montré qu'une telle transition pouvait être induite dynamiquement en mesurant l'effet Josephson AC de la jonction. L'émission Josephson est mesurée en couplant sur le même échantillon le nanotube de carbone à un détecteur quantique grâce à un circuit résonant supraconducteur. L'expérience montre que cette émission est fortement réduite dans les zones de tension grille où le courant critique était augmenté du fait de l'action conjuguée de l'effet Kondo et de l'effet de proximité. En comparant nos données à des calculs utilisant les techniques numériques du groupe de renormalisation, nous attribuons la forte diminution de l'effet Josephson AC à la dynamique des quasiparticules dans la boite quantique constituée par le nanotube de carbone qui conduit à une transition entre l'état fondamental singulet et l'état excité doublet.Pour améliorer la méthode de détection à basse température, nous avons réalisé deux autres expériences. Dans la première, nous avons testé des lignes de polarisation continue réalisée au laboratoire qui permettent d'atteindre de faible température électronique, température mesurée grâce à un transistor à un électron. Nous avons par ailleurs fabriqué et mesuré un nouveau type de micro-résonateur supraconducteur, basé sur un matériau à forte inductance cinétique, des nanofils de tungstène déposé sous faisceau d'ions hélium focalisé. Ce type de résonateurs pourrait s'avérer très utile en tant que circuit de couplage résonant pour la détection haute fréquence "on-chip" et plus généralement pour réaliser des éléments supraconducteurs non-linéaires compacts pour l'électronique quantique.

This thesis is dedicated to the measurement of local pressure and temperature and to compare the heat generation in all-steel and silicon nitride-steel (hybrid) elastohydrodynamic (EHD) contacts. The ultimate goal of this work is to develop a new non-intrusive in situ technique, exploiting the sensitivity of the photoluminescence (PL) of CdSe/CdS/ZnS quantum dots (QDs) to pressure and temperature. Dispersible in small concentration in lubricants, it is shown that the QDs doesn’t modify the rheological behavior of the carrier fluid and that shearing is not perturbative to the QDs PL response. The calibration of QDs in the suspension confirms the QDs PL dependence on temperature and pressure. The in situ measurements were conducted in EHD contacts using a ball-on-disc test rig. Comparisons between pressure and temperature measurements and predictions, using an in–house finite element thermal EHD model, showed a good agreement which demonstrates the feasibility of the proposed methodology. The effects of sliding and normal loading on pressure, temperature and heat generation are indicated. The effect of the thermal properties of the solid materials is underlined and the partition of the generated heat between the contacting solids is investigated. The energy equilibrium between the mechanical energy and the internal thermal energy generated by compression and shearing is demonstrated by comparing experimental power losses and numerical heat generation, in steel-steel and hybrid contacts., Cette thèse est dédiée à la mesure des pressions et des températures locales et à la comparaison de la génération de chaleur dans les contacts élastohydrodynamiques (EHD) de type tout acier et hybride (nitrure de silicium-acier). Le but ultime de ce travail est de développer une nouvelle technique in situ non-intrusive, exploitant la sensibilité de la photoluminescence (PL) des boîtes quantiques (QDs) de CdSe/CdS/ZnS aux variations de pression et température, afin de cartographier ces deux paramètres dans les contacts EHD. Dispersible à faible concentration dans les lubrifiants, il est montré que les QDs ne modifient pas le comportement rhéologique du fluide porteur et que le cisaillement n’est pas perturbateur à la réponse en PL. La calibration des QDs en suspension confirme la dépendance de la réponse en PL des QDs à la pression et à la température. Les mesures in situ sont effectuées en utilisant un banc d’essai bille-disque. La comparaison entre les mesures in situ de pression et de température et celles prédites à l'aide d'un modèle éléments finis TEHD interne montre une bonne concordance, ce qui démontre la faisabilité de la méthodologie proposée. Les effets du glissement et du chargement normal sur la pression, la température et la chaleur générée sont reportés. L’effet des propriétés thermiques des solides est souligné et la répartition de la chaleur générée entre les solides en contact est étudiée. L'équilibre énergétique entre l'énergie mécanique et l'énergie thermique interne générée par compression et cisaillement est démontré en comparant les pertes de puissance expérimentales et la chaleur générée issue du modèle numérique, pour des contacts acier-acier et hybrides.

In the context of nanomechanics, quantum hybrid systems are mechanical oscillators coupled to a single individual quantum system. These systems offer radically new possibilities for the fabrication of extremely sensitive and ultra-compact optomechanical transducers, which can serve as position sensors or nano engines.The hybrid system investigated in this work consists of a single semiconducting quantum dot (QD) embedded in a vibrating photonic wire. It has been shown in the team, a few years ago, that the transition energy of the QD depends on the strain generated by the wire oscillations.In this thesis, we demonstrate the reverse effect, where each photon emitted by the QD comes along with a strain-induced force which drives the oscillations of the photonic wire. This realizes a nano engine run by a laser-driven single quantum object. The effect has been coined “Quantum Hammer effect”. This result opens the possibility for the future realization of a quantum state of motion via the transfer of the ”quantumness” of a two-level system towards the motion of a macroscopic mechanical oscillator.; Dans le contexte de la nanomécanique, les systèmes hybrides quantiques sont des oscillateurs mécaniques couplés à un seul objet quantique individuel. Ces systèmes offrent des possibilités radicalement nouvelles pour la fabrication de transducteurs optomécaniques extrêmement sensibles et ultra-compacts, qui peuvent servir de capteurs de position ou de nano-moteurs.L’objet étudié dans ce travail est un système hybride constitué d’une boite quantique semi-conducteur unique couplée aux vibrations d’un fil photonique. Il a été démontré dans l'équipe, il y a quelques années, que l'énergie de transition de la boite quantique dépend de la contrainte générée par les oscillations du fil.Dans cette thèse, nous démontrons l'effet inverse, où chaque photon émis par la boite quantique s'accompagne d'une force qui entraîne l’oscillations du fil photonique. Ceci permet de réaliser un nano moteur fonctionnant grâce à la contrainte générée par une seule boite quantique pilotée par laser. L'effet est appelé "effet marteau quantique". Ce résultat ouvre la possibilité de la réalisation future d’un état quantique du mouvement par le transfert de la « quanticité » d'un système à deux niveaux vers le mouvement d’un oscillateur mécanique macroscopique.

This thesis concerns the study and control of electron emission from a single quantum dot attached to a nanometer sized tip and irradiated by a femtosecond laser. A complete ultrahigh vacuum (UHV) setup has been constructed to laser stimulate and analyse electron emission. A femtosecond laser is used with a minimum pulse duration and width at the sample’s location (14 fs of pulse duration, 4 µm focal spot), and with a tunable power and polarisation. Wires of tungsten have been etched by an electrochemical reaction to produce very sharp tips of about 25 nm radius on which 1 nm quantum dots are grown in-situ. In the UHV chamber a 3D motors allow us to adjust the position of the tip apex into the laser focal spot. An in-situ retarding field analyser and a microchannel plate (MCP) with phosphor screen for imaging are used to analyse the electronic emission. The results obtained with the tungsten tip allows the study of several regimes of electronic emission: DC field with no laser, DC field with laser and no DC field with laser. With the use of the femtosecond laser, we observed for the first time photoassisted field emission from an individual quantum dot. With the quantum dot the emitted electrons are filtered in energy by passing through the discrete energy levels by resonant tunnelling. Also the variation of the DC electric field applied to the quantum dot induces shifts of the discrete energy levels thus allowing the control of the energy of the emitted electrons. The electron pulses from this electron source are: - extremely localised due to the amplification of the electric field above the quantum dot. - extremely short because the emission is triggered by the femtosecond laser pulses. - tunably filtered in energy by shifting the discrete energy levels using the variation of the DC applied electric field; Cette thèse concerne l’étude et le contrôle de l’émission électronique d’une boîte quantique unique, attachée à une pointe nanométrique et irradiée par un laser femtoseconde. Nous avons mis en place un système expérimental complet sous ultra vide (UHV) permettant d’exciter par laser et d’analyser l’émission électronique. Nous utilisons un laser femtoseconde dont on minimise la durée d’impulsion et le rayon à l’emplacement de l’échantillon (14 fs de durée d’impulsion et 4 µm de largeur spatiale), et dont on contrôle la puissance et la polarisation. Nous taillons des fils de tungstène avec une réaction électrochimique afin d’obtenir des pointes extrêmement fines d’environ 25 nm de rayon, et sur lesquelles nous faisons croître des boîtes quantiques d’environ 1 nm de rayon. Dans la chambre UHV, des moteurs nous permettent de positionner l’échantillon au point de focalisation du laser. Un analyseur à retard de champ ainsi que des galettes de microcanaux (MCP) et un écran de phosphore pour l’imagerie nous permettent d’analyser l’émission électronique. Les résultats obtenus avec la pointe de tungstène nous permettent d’étudier les différents régimes d’émission électronique : champ DC sans laser, champ DC avec laser ou sans champ DC avec laser. Avec l’utilisation du laser femtoseconde, nous avons observé pour la première fois la photoémission assistée par émission de champ d’une boîte quantique unique. Avec la boîte quantique, les électrons sont filtrés en énergie en passant par effet tunnel résonant à travers ses niveaux discrets d’énergie. De plus, la variation du champ électrique DC appliquée sur la boîte quantique implique un déplacement de ces niveaux discrets d’énergie, permettant ainsi de contrôler l’énergie des électrons émis. Les impulsions électroniques de cette source d’électrons sont : - ultralocalisées grâce à l’amplification de champ au niveau de la boîte quantique. - ultracourtes car déclenchées par les impulsions du laser femtoseconde. - filtrées de façon contrôlable en énergie par déplacement des niveaux discrets d’énergie en variant le champ électrique DC appliqué

This thesis concerns the study and control of electron emission from a single quantum dot attached to a nanometer sized tip and irradiated by a femtosecond laser. A complete ultrahigh vacuum (UHV) setup has been constructed to laser stimulate and analyse electron emission. A femtosecond laser is used with a minimum pulse duration and width at the sample’s location (14 fs of pulse duration, 4 µm focal spot), and with a tunable power and polarisation. Wires of tungsten have been etched by an electrochemical reaction to produce very sharp tips of about 25 nm radius on which 1 nm quantum dots are grown in-situ. In the UHV chamber a 3D motors allow us to adjust the position of the tip apex into the laser focal spot. An in-situ retarding field analyser and a microchannel plate (MCP) with phosphor screen for imaging are used to analyse the electronic emission. The results obtained with the tungsten tip allows the study of several regimes of electronic emission: DC field with no laser, DC field with laser and no DC field with laser. With the use of the femtosecond laser, we observed for the first time photoassisted field emission from an individual quantum dot. With the quantum dot the emitted electrons are filtered in energy by passing through the discrete energy levels by resonant tunnelling. Also the variation of the DC electric field applied to the quantum dot induces shifts of the discrete energy levels thus allowing the control of the energy of the emitted electrons. The electron pulses from this electron source are: - extremely localised due to the amplification of the electric field above the quantum dot. - extremely short because the emission is triggered by the femtosecond laser pulses. - tunably filtered in energy by shifting the discrete energy levels using the variation of the DC applied electric field, Cette thèse concerne l’étude et le contrôle de l’émission électronique d’une boîte quantique unique, attachée à une pointe nanométrique et irradiée par un laser femtoseconde. Nous avons mis en place un système expérimental complet sous ultra vide (UHV) permettant d’exciter par laser et d’analyser l’émission électronique. Nous utilisons un laser femtoseconde dont on minimise la durée d’impulsion et le rayon à l’emplacement de l’échantillon (14 fs de durée d’impulsion et 4 µm de largeur spatiale), et dont on contrôle la puissance et la polarisation. Nous taillons des fils de tungstène avec une réaction électrochimique afin d’obtenir des pointes extrêmement fines d’environ 25 nm de rayon, et sur lesquelles nous faisons croître des boîtes quantiques d’environ 1 nm de rayon. Dans la chambre UHV, des moteurs nous permettent de positionner l’échantillon au point de focalisation du laser. Un analyseur à retard de champ ainsi que des galettes de microcanaux (MCP) et un écran de phosphore pour l’imagerie nous permettent d’analyser l’émission électronique. Les résultats obtenus avec la pointe de tungstène nous permettent d’étudier les différents régimes d’émission électronique : champ DC sans laser, champ DC avec laser ou sans champ DC avec laser. Avec l’utilisation du laser femtoseconde, nous avons observé pour la première fois la photoémission assistée par émission de champ d’une boîte quantique unique. Avec la boîte quantique, les électrons sont filtrés en énergie en passant par effet tunnel résonant à travers ses niveaux discrets d’énergie. De plus, la variation du champ électrique DC appliquée sur la boîte quantique implique un déplacement de ces niveaux discrets d’énergie, permettant ainsi de contrôler l’énergie des électrons émis. Les impulsions électroniques de cette source d’électrons sont : - ultralocalisées grâce à l’amplification de champ au niveau de la boîte quantique. - ultracourtes car déclenchées par les impulsions du laser femtoseconde. - filtrées de façon contrôlable en énergie par déplacement des niveaux discrets d’énergie en variant le champ électrique DC appliqué

Nanostructures are physical systems of paramount interest for both fundamental studies and applications, since they display quantum effects such as confinement, energy discretization, coherence…The quantum behavior of nano-devices can however be strongly influenced by disorder, thermal and non-equilibrium effects. In this Thesis, we show, for instance, how dissipation deeply affects the electron transport in superconducting nano-devices at microwave frequencies.By using a home-made cryogenic AFM/STM setup, we are able to investigate different kinds of nanostructures. First, we address the realization of a Single Electron Transistor with a Scanning Probe. Metallic nanoparticles are well known for their behavior as 0D-Quantum Dots (QD), and they display quantum confinement and charging effects, which are evidenced in our low-temperature SPM measurements as well. We demonstrate how a novel nanofabrication process can be implemented with the addition of gate electrodes sufficiently thin and leakage-proof, which in the future can provide a fine-tuning of the QD's properties and allow spatially-resolved exploration of quantum phenomena in a variety of different coupling regimes. Second, we study epitaxial graphene on SiC as a very promising 2D material for electronics. In particular, epitaxial sidewalls graphene nanoribbons (GNRs) are nanostructures of fundamental interest which can provide direct and controllable access to charge neutral graphene. Due to quantum confinement, these systems can display exceptional ballistic transport at room temperature. We implemented an innovative Scanning Tunneling Potentiometry technique allowing for nm-scale spatial resolution and μ V-scale voltage resolution. Measured local potential and resistance of single GNRs devices provide clear indication of non-diffusive transport.The physics investigated and the methods and the techniques developed in this Thesis can thus provide a new insight on several (and quite diverse) on-trend topics., Les nano-structures sont des systèmes physiques de premier intérêt pour les études de base et pour les applications, car elles montrent des effets quantiques comme le confinement, la discrétisation énergétique, la cohérence... Le comportement quantique des nano-dispositifs peut être cependant fortement influencé par le désordre, les effets thermiques et hors-équilibre. Dans cette Thèse, nous montrons, par exemple, comment la dissipation affecte le transport électronique dans les dispositifs supraconducteurs soumis aux fréquences micro-ondes.En utilisant un setup cryogénique AFM/STM fait maison, on peut étudier différents types de nano-structures. En premier, nous nous occupons de la réalisation d'un transistor à électron unique avec une sonde locale. Les nano-particules métalliques sont bien connues pour leur comportement comme boîtes quantiques zéro-dimensionnelles (QD), elles montrent du confinement quantique et des effets de charge, que l’on retrouve aussi dans nos mesures de microscopie à sonde locale à basse température. Nous démontrons comment un nouveau procédé de nano-fabrication peut être mis en œuvre avec l'introduction d' une électrode de grille suffisamment mince et sans-fuite, ce qui pourra fournir un réglage de précision des propriétés de la boîte quantique et permettre l'exploration résolue spatialement des phénomènes quantiques dans différents régimes de couplage. En deuxième, nous étudions le graphène épitaxial sur SiC comme un matériau 2D très prometteur pour l'électronique. En particulier, les nano-rubans de graphène obtenus par croissance épitaxiale sur des parois inclinées (GNRs) sont des nano-structures d'intérêt fondamental qui peuvent fournir un accès direct et contrôlable au graphène neutre. À cause du confinement quantique, ces systèmes peuvent montrer du transport balistique exceptionnel à température ambiante. Nous réalisons une technique novatrice de potentiométrie à sonde locale qui nous permet une résolution spatiale à l'échelle du nm et une résolution en tension à l'échelle du µV. Le potentiel locale et la résistance locale mesurés sur un dispositif unique basé sur des nano-rubans de graphène nous donnent des indications claires de transport non-diffusif.La physique explorée, les méthodes ainsi que les technique développées dans cette Thèse peuvent donc fournir des nouvelles visions aux nombreux (et assez divers) sujets en vogue.

This thesis work is centered around two key aspects of quantum technologies: quantum information processing and quantum sensing. It builds up onto the microwave light toolbox, developed in circuit quantum electrodynamics, to investigate the properties of mesosocopic circuits. Those circuits, made out here of carbon nanotubes, can be designed to act as quantum bits of information or as condensed matter model system and this thesis explore both aspects. The realization of a coherent spin-photon interface illustrates the first one. The experiment relies on ferromagnetic contacts to engineer an artificial spin-orbit coupling in a double quantum dot. This coupling hybridizes the spin and the charge degree of freedom of the electron in this circuit. By embedding this circuit into a microwave cavity, whose electrical field can be coupled to the charge, we realize an artificial spin-photon interface. A second project, started during this thesis, focuses on using quantum dot circuits as model systems. This project consists in coupling, via a microwave cavity, a superconducting qubit, that will serve as a delicate probe, and single quantum dot circuit. Such a circuit can display several behaviors including the Kondo effect which is intrinsically a many-body effect. In this work, we present both a theoretical study of some possible outcomes of this experiment, and experimental developments. Finally, a theoretical proposition to detect the self-adjoint character of Majorana fermions using a microwave cavity, is presented., Ce travail de thèse est centré autour de deux aspects des technologies quantiques: le calcul quantique et la mesure quantique. Il s'appuie sur la boîte à outils de la lumière micro-onde, développé en électrodynamique quantique, pour sonder des circuits mésoscopiques. Ces circuits, fabriqués ici à base de nanotubes de carbone, peuvent être conçus comme des bits quantiques ou comme des systèmes modèles de la matière condensée, et cette thèse explore les deux aspects. La réalisation d'une interface spin-photon cohérente illustre le premier. L'expérience repose sur l'utilisation de contacts ferro-magnétiques pour induire un couplage spin-orbit artificiel dans une double boîte quantique. Ce couplage hybride les degrés de liberté de charge et de spin de l'électron. En incluant ce circuit dans une cavité micro-onde, dont le champ électrique peut être couplé à la charge, nous réalisons une interface spin-photon. Un second projet est centré sur l'utilisation de boîtes quantiques comme systèmes modèles. Ce projet consiste à coupler, via une cavité micro-onde, un qubit supraconducteur, qui servira de sonde peu invasive, et une boîte quantique unique. Un tel circuit peut exhiber différent comportement dont l'effet Kondo, qui est un effet à N-corps. Dans ce travail, nous présentons à la fois une étude théorique, et des travaux expérimentaux. Finalement, un travail en collaboration, sur une proposition théorique pour détecter le caractère auto-adjoint des fermions de Majorana en utilisant une cavité micro-onde, est présenté.

Developments in quantum information processes require the use of solid state qubits that would emit on demand single and indistinguishable photons. Semiconductor quantum dots (QDs) show an atom-like spectrum which makes them attractive in this regard. However, a single QD constitutes an open quantum system coupled to its surrounding solid-state environment, the phonon bath and the fluctuating electrostatic environment. This has important consequences on the coherence properties of the electronic system and the QD is a probe to study these fundamental interactions. Using Fourier spectroscopy and temperature-dependent resonant HOM experiments we show that these two mechanisms occur on very different time scales: spectral diffusion is a slow dephasing process acting on microseconds, while phonon interaction takes place in less than one ns. Then, the loss of ndistinguishability in HOM measurements is only related to dephasing induced by the coupling to the phonon bath. The TPI visibility is preserved around 85 % at low temperature, followed by a rapid loss of coherence. To fully understand the experimental results we developed a mircroscopic model for the electron-phonon interaction which allow to obtain analytic expressions for the dephasing rates. Below 10K the relaxation of the vibrational lattice is the dominant contribution to the loss of TPI visibility. This process corresponds to real phonon transitions resulting in a broad phonon sideband in the QD emission spectra. Above 10K, virtual phonon transitions to higher lying excited states become the dominant dephasing mechanism, leading to broadening of the zero phonon line and a corresponding rapid decay in the visibility.; Les boîtes quantiques (BQ) semi-conductrices possèdent une structure électronique discrète qui en fait une excellente source de photons uniques et indiscernables. Elles sont ainsi devenues un système très attractif pour des futures applications en information quantique, grâce à la possibilité de les intégrer dans des nano-dispositifs permettant un couplage efficace lumière-matière. Cependant, les BQs constituent par nature un système ouvert en interagissant fortement avec l'environnement solide, une des conséquences étant la destruction partielle de la cohérence des photons émis. Dans ce travail, nous avons choisi d'utiliser une BQ comme sonde très sensible de ces interactions. Des expériences d'interférences à deux photons, de type Hong-Ou-Mandel, sous excitation résonante et en fonction de la température, nous ont permis d’étudier l'interaction entre une BQ et les phonons acoustiques de la matrice cristalline environnante. En combinant nos résultats expérimentaux et un modèle théorique microscopique, nous avons identifié deux processus distincts responsables de la perte d’indiscernabilité : le premier dû aux transitions réelles par absorption-émission de phonons, le deuxième à cause de transitions virtuelles, processus du deuxième ordre, dues à la présence d’états excités de plus haute énergie dans la boîte. Nous avons par ailleurs étudié des échantillons dopés permettant d’appliquer un champ électrique sur le plan de BQ, mettant en évidence que le contrôle de l’état de charge d’une BQ permet sont excitation résonante systématique.

Developments in quantum information processes require the use of solid state qubits that would emit on demand single and indistinguishable photons. Semiconductor quantum dots (QDs) show an atom-like spectrum which makes them attractive in this regard. However, a single QD constitutes an open quantum system coupled to its surrounding solid-state environment, the phonon bath and the fluctuating electrostatic environment. This has important consequences on the coherence properties of the electronic system and the QD is a probe to study these fundamental interactions. Using Fourier spectroscopy and temperature-dependent resonant HOM experiments we show that these two mechanisms occur on very different time scales: spectral diffusion is a slow dephasing process acting on microseconds, while phonon interaction takes place in less than one ns. Then, the loss of ndistinguishability in HOM measurements is only related to dephasing induced by the coupling to the phonon bath. The TPI visibility is preserved around 85 % at low temperature, followed by a rapid loss of coherence. To fully understand the experimental results we developed a mircroscopic model for the electron-phonon interaction which allow to obtain analytic expressions for the dephasing rates. Below 10K the relaxation of the vibrational lattice is the dominant contribution to the loss of TPI visibility. This process corresponds to real phonon transitions resulting in a broad phonon sideband in the QD emission spectra. Above 10K, virtual phonon transitions to higher lying excited states become the dominant dephasing mechanism, leading to broadening of the zero phonon line and a corresponding rapid decay in the visibility.; Les boîtes quantiques (BQ) semi-conductrices possèdent une structure électronique discrète qui en fait une excellente source de photons uniques et indiscernables. Elles sont ainsi devenues un système très attractif pour des futures applications en information quantique, grâce à la possibilité de les intégrer dans des nano-dispositifs permettant un couplage efficace lumière-matière. Cependant, les BQs constituent par nature un système ouvert en interagissant fortement avec l'environnement solide, une des conséquences étant la destruction partielle de la cohérence des photons émis. Dans ce travail, nous avons choisi d'utiliser une BQ comme sonde très sensible de ces interactions. Des expériences d'interférences à deux photons, de type Hong-Ou-Mandel, sous excitation résonante et en fonction de la température, nous ont permis d’étudier l'interaction entre une BQ et les phonons acoustiques de la matrice cristalline environnante. En combinant nos résultats expérimentaux et un modèle théorique microscopique, nous avons identifié deux processus distincts responsables de la perte d’indiscernabilité : le premier dû aux transitions réelles par absorption-émission de phonons, le deuxième à cause de transitions virtuelles, processus du deuxième ordre, dues à la présence d’états excités de plus haute énergie dans la boîte. Nous avons par ailleurs étudié des échantillons dopés permettant d’appliquer un champ électrique sur le plan de BQ, mettant en évidence que le contrôle de l’état de charge d’une BQ permet sont excitation résonante systématique.

The electron quantum optics field is a research topic with an interest growing over the years since the 80's and the first interference experiment with electrons. This field is dedicated to the implementation of quantum optics experiments with electrons instead of photon. The advantage is twofold, one is the fermion nature of the electrons which ensure the observation of phenomenon which cannot be observed with photon (boson), the anti-bunching of the electrons in correlation experiments contrary to the bunching for photons illustrates this point. The second advantage is the possibility to interact and control electrons with electric fields since they are charged particles. Such control does not exist with photon. In addition to these fundamental experiments, it has been recently demonstrated that this topic presents a possible candidate for quantum information with so called flying qubit. While the based components to mimic the quantum optics experiments are already demonstrated like the beam splitter, phase shifter or coherent single electron source, the single electron detection in a single shot manner in such system is still lacking. The difficulty being the short interaction time between the travelling charge and the charge detector, being of less than 1ns in such system where the electron propagate at the Fermi velocity 10-100km/s. This interaction is approximately two orders of magnitude shorter than what is required with the actual best on chip charge detector.In this thesis is presented the development of an ultra-sensitive detector for the single shot detection of an electron travelling at the Fermi velocity. Our strategy was to detect a single travelling electron propagating in the edge channels (ECs) of the quantum Hall effect by measuring the induced phase shift of a singlet-triplet qubit, referred as to the qubit detector. The single shot detection being only possible if the interaction with the travelling electron induces a complete π phase shift and the spin readout of the qubit detector being performed in a single shot manner.Thanks to the development and use of a RF-QPC the single shot spin readout of the qubit detector has been first demonstrated. Its development with the implementation of coherent exchange oscillations is then described. The charge sensitivity of the qubit detector is validated in an experiment consisting in recording a phase shift of these oscillations due to the interaction with an imposed flow of electrons in the ECs. This flow of electron was induced by a DC voltage bias applied on the ECs to tune their chemical potential.This qubit detector is then optimised for the single travelling charge detection. Its calibration has been implemented using the same imposed flow of electrons by application of a DC bias. This calibration provides the expected signal variation induced by the interaction with a single travelling electron, and indicates the impossibility to implement this detection in a single shot manner in our experimental conditions. Our detector exhibits a charge sensitivity estimated close to 8.10-5 e/Hz-1/2 for a detection bandwidth from DC to 1 THz. The sensitivity is close to two orders of magnitude smaller than required for a single shot detection. Finally this qubit detector has been employed to detect in average measurements an edge magneto plasmon composed by less than 5 electrons. However, the single electron level could not be reached in statistical measurement neither, the sensitivity of our qubit detector being too limited.The different limitations of our experiment are listed and explained with the presentation of different axes of development which could permit to succeed this detection in another experiment., L’optique quantique avec électron est un domaine de recherche en expansion depuis ses débuts au cours des années 90 prenant suite aux premières expériences d’interférence avec électrons réalisées dans les années 80. Ce domaine est dédié à la réalisation d’expérience d’optique quantique avec des électrons plutôt que des photons. Leur intérêt est double, d’une part les électrons étant des fermions de nouveaux phénomènes, en comparaison des photons qui sont des bosons, peuvent être observés. L’électron anti-bunching, en comparaison du bunching des photons obtenu dans des expériences de corrélations en est un exemple. Le deuxième avantage des électrons est le fait qu’ils peuvent être contrôlés et manipulés à l’aide de champ électrique, un tel contrôle n’est pas possible avec des photons. Alors que les composants de base pour la réalisation de ces expériences sont déjà existant comme la lame séparatrice, ou encore les sources cohérentes à électrons uniques, la détection immédiate d’un électron unique dans de telles expériences est toujours manquante. La difficulté étant le faible temps d’interaction entre l’électron en déplacement et le détecteur de charge qui est limité typiquement à moins de 1ns principalement à cause de la vitesse élevée de déplacement de l’électron qui est égale à la vitesse de Fermi soit 10-100km/s. Ce temps d’interaction est environ deux ordres de grandeurs plus petits que ce qui est nécessaire pour le meilleur détecteur de charge démontré jusqu’à présent.Dans ce manuscrit est présenté le développement d’un détecteur ultra-sensible pour la détection immédiate d’un électron se déplaçant à la vitesse de Fermi. Notre stratégie est de détecter un électron unique se déplaçant dans les canaux de bords (ECs) de l’effet Hall quantique à partir de la mesure d’une variation de phase d’un bit quantique singlet-triplet, appelé qubit détecteur par la suite. La détection immédiate de cet électron en déplacement n’étant possible que si l’interaction avec ce dernier induit une variation de phase de pi, avec une lecture immédiate de l’état de spin du qubit détecteur.Grâce au développement et à l’utilisation d’un RF-QPC, cette lecture immédiate de l’état de spin est tout d’abord démontrée. Par la suite le développement du qubit détecteur avec la réalisation d’oscillations cohérentes d’échange est décrit. Sa sensibilité en charge est démontrée avec l’observation d’une phase induite par l’interaction avec un courant d’électrons dans les ECs. Ce courant est imposé par l’application d’un biais de tension contrôlant le potentiel chimique de ces ECs.Après optimisation de ce qubit détecteur pour la détection d’un électron unique, il est calibré en utilisant le même procédé de courant imposé par application d’un biais de tension. Cette calibration nous fournie la variation de signal attendue pour l’interaction avec cette charge unique est indique que sa détection immédiate est impossible dans nos conditions expérimentales. Notre détecteur ayant une sensibilité de charge de l’ordre de 8.10-5 pour une bande passante allant de DC à 1THz. Cette sensibilité est environ deux ordres de grandeur trop petite que ce qui est nécessaire pour la détection immédiate de cette charge unique. Finalement, ce qubit détecteur est utilisé pour détecté, dans une expérience moyennée, ce qui est appelé un edge magneto plasmon composé par moins de 5 électrons. Néanmoins, atteindre la détection de la charge unique dans n’a pas été possible, la sensibilité en charge étant légèrement trop petite pour y arriver.Les différentes limites de notre détecteur sont listées et expliquées tout au long du manuscrit, avec une présentation de différents axes de développement qui devraient permettre de réussir cette détection d’un électron unique dans une nouvelle expérience.

This thesis describes the state of the art in nanomaterials-based targeted bioimaging and introduces molecularly imprinted polymers, also termed ‘plastic antibodies’ as novel biorecognition agents for labeling and imaging of cells and tissues. In fundamental biology and medical diagnostics, there is a constant need to localize and quantify specific molecular targets. Abnormal glycosylation levels or distributions of hyaluronan or sialic acids on cells are indicators of infection or malignancy. In general, bioimaging with fluorescent probes enables the localization and qualitative or quantitative determination of these pathological biomarkers. However, no reliable tools for the recognition of glycosylation sites on proteins exist, because the commercially available antibodies or lectins have poor affinity and selectivity for these targets. In this context, tailor-made molecularly imprinted polymers (MIPs) are promising synthetic receptor materials since they present a series of advantages over their natural counterparts such as the ease and low cost of preparation and their physical and chemical stability. Thus, MIPs could provide a robust and specific imaging tool for revealing the location/distribution, time of appearance and structure of glycosylation sites on/in cells, which would lead to a better insight of the tremendously diverse biological processes in which these molecules are involved. Herein, we describe the synthesis of water-compatible MIPs for the molecular imaging of hyaluronan and sialylation sites on cells and tissues. Since molecular imprinting of entire biomacromolecules like oligosaccharides is challenging, we opted for what is commonly called the ‘epitope approach’, which was inspired by nature. The monosaccharides, glucuronic acid and N-acetylneuraminic acid were imprinted, and the resulting MIPs were able to bind these molecules when present and accessible on the terminal unit of hyaluronan and sialylation sites. Fluorescent MIPs were synthesized as rhodamine-labeled nanoparticles and as MIP-coated InP/ZnS core-shell quantum dot (QD) particles. For the coating of the QDs, a novel versatile solubilization and functionalization strategy was proposed, which consists of creating polymer shells directly on QDs by photopolymerization using the particles as individual internal light sources. A standard immunostaining protocol was then successfully adapted for the application of the fluorescently labeled MIPs to image fixed and living human keratinocytes and skin tissues, by epifluorescence and confocal fluorescence microscopy. The results were comparable to those obtained with a reference method where staining was done with a biotinylated hyaluronic acid binding protein. Multiplexed and cancer cell imaging were also performed, demonstrating the potential of molecularly imprinted polymers as a versatile biolabeling and bioimaging tool. Although the MIPs were not cytotoxic at the concentrations used for bioimaging, in order to render them generally applicable in biomedicine, where toxicity of the polymerization precursors is a matter of concern, we suppressed the initiator, a toxic chemical. Initiator-free MIPs were thus synthesized by using monomers that can self-initiate under UV irradiation or heat. The specificity and selectivity of the obtained MIPs were as good as the ones prepared with initiators. In conclusion, we have demonstrated for the first time the great potential of MIPs as synthetic antibody mimics for bioimaging. The possibility to associate other functionalities such as QDs and additionally attach drugs to the same material appears rather straightforward due to the synthetic polymeric nature of MIPs, which paves the way to new potential applications in theranostics.; Cette thèse décrit l'état de l'art des sondes et nanoparticules fluorescents traditionnels utilisés en imagerie de fluorescence ainsi que le développement de nouveaux nanomatériaux à base de polymère à empreinte moléculaire, aussi dénommé ‘anticorps plastique’, pour le ciblage et la bioimagerie. En biologie et en médecine, il y a un besoin constant de diagnostiquer diverses maladies pour leur éventuel traitement et prévention. Une distribution anormale et un taux élévé de glycosylation (e.g. acides hyaluronique et sialique) à la surface ou dans les cellules sont indicateurs d’une infection ou d’un cancer. Généralement, l’imagerie par fluorescence permet de visualiser, localiser et quantifier les biomarqueurs de pathologie mais à l’heure actuelle, il n’existe pas d’outil analytique fiable pour cibler spécifiquement les molécules de glycosylation car les anticorps et les lectines vendus dans le commerce ont une faible affinité et sélectivité vis-à-vis de ces cibles. Dans ce contexte, les polymères à empreintes moléculaires (MIPs) pourraient apporter une solution. Les MIPs sont des récepteurs synthétiques possédant des affinités et sélectivités comparables à ceux des anticorps, mais exhibant une stabilité physique, thermique et chimique bien plus accrue. De plus, leur fabrication est peu coûteuse et ne nécessite pas de tuer des animaux comme pour l’obtention des anticorps biologiques. Dans cette thèse, nous avons optimisé et synthétisé des MIPs biocompatibles pour leur utilisation en bioimagerie afin de détecter et quantifier l’acide hyaluronique et l’acide sialique sur les cellules et les tissus de peau humaine. L’acide glucuronique, une composante de l’acide hyaluronique et l’acide N-acétylneuraminique, l’acide sialique le plus commun, ont été utilisés comme molécules ‘patron’, générant des MIPs très sélectifs envers leur cible en milieu aqueux. Deux types de nanoparticules de MIPs fluorescents ont été synthétisés: (1) en incorporant un colorant rhodamine polymérisable dans la solution de pré-polymérisation et (2) en encapsulant des boîtes quantiques InP/ZnS générant ainsi des MIPs de type cœur-coquille. Pour cela, nous avons adopté une stratégie innovante qui consiste à synthétiser les coquilles de MIPs directement autour des boîtes quantiques en utilisant l’énergie de l’onde fluorescente émise par l’excitation des points quantiques, pour initier la polymérisation. Un protocole d'immunocoloration standard a ensuite été optimisé afin d’imager des kératinocytes humains fixés et vivants ainsi que des tissus de peau, par microscopie à épifluorescence et confocale. Les résultats étaient similaires à ceux obtenus par la méthode de référence utilisant une protéine biotinylée reconnaissant l'acide hyaluronique. L'imagerie multiplex en combinant deux MIPs couplés à deux couleurs de boîtes quantiques et l’imagerie des cellules cancéreuses ont également été démontrées. Bien que les MIPs n’étaient pas cytotoxiques aux concentrations utilisées pour la bioimagerie, la toxicité des différentes composantes du MIP pourrait être un frein à leur utilisation dans le domaine biomédical. Afin de rendre ces MIPs plus ‘inoffensifs’, nous avons supprimé l’amorceur de polymérisation, une molécule considérée comme toxique. Les MIPs ont été synthétisés en employant des monomères qui s’auto-initient sous l’effet de l’UV ou de la chaleur. La spécificité et la sélectivité des MIPs obtenus étaient similaires à ceux préparés avec des amorceurs. En conclusion, cette thèse décrit la première utilisation des MIPs comme anticorps synthétique pour la bioimagerie de fluorescence. Ce travail ouvre la voie à de nouvelles applications en détection, diagnostique et thérapie par des MIPs.

Recent technological advances hint at the future possibility to use single electron spins as carriers and storage of information. Due to their quantum nature, individually controlled electron spins can not only be used to store classical information, but could also find implementation as quantum bits in a quantum computer. In this envisioned device, the superposition of different spin states could be used to perform novel calculation procedures more efficiently than their classical counterparts.A promising implementation of a controllable single electron spin system is an electron trapped in a lateral quantum dot. This nanoscale solid state device allows to isolate and coherently manipulate the spin of individual electrons with electrostatic potentials. In this thesis we study electrons in quantum dot structures using a manipulation technique which we call the "isolated regime". In this regime the manipulation of individual electron charges in several connected quantum dots is shown to be simplified. This allows to implement a novel spin manipulation scheme to induce coherent exchange of a quantum of spin between two electrons via a variation of the tunnel-coupling between adjacent quantum dots. This manipulation scheme is observed to lead to a reduced sensibility to charge noise at a "sweet spot" and thereby allows to obtain high quality spin oscillations.The improved charge control in the isolated regime is then used to achieve circular coupling in a triple quantum dot device with high tunnel-rates. This allows to directly probe the coherence of a superposition of two electron spins which are displaced on a closed loop in the three quantum dots. Our measurements demonstrate coherent electron transport over distances of up to 5 μm. During the transfer the coherence time is found to be significantly increased. We identify the underlying mechanism for the enhancement with a motional narrowing of the nuclear field gradients originating from the crystal environment. The limiting decoherence source is found to be single electron spin-flips induced by a real space motion of the electrons. Our results on the coherent transport of electrons can be used to asses the scaling possibilities of spin qubit implementations on two-dimensional lattices., De récentes avancées technologiques laissent entrevoir le potentiel des spins électroniques uniques comme supports pour le stockage et la manipulation de l'information. En raison de leur nature quantique, les spins électroniques contrôlé à l’échelle de l’électron unique peuvent non seulement être utilisés pour stocker l'information classique, mais pourraient également être mis en œuvre pour réaliser des qubits dans un ordinateur quantique. Dans un tel dispositif, les superpositions de différents états de spin peuvent être utilisées pour calculer plus efficacement que les ordinateurs classiques.Une mise en œuvre prometteuse d'un tel système est un électron piégé dans une boite quantique latérale. Ce dispositif nanométrique défini dans des structures semiconductrices permet d'isoler et de manipuler le spin d’un électron de façon cohérente avec des potentiels électrostatiques. Dans cette thèse, nous manipulons les électrons dans des boites quantiques dans un régime dit « isolé». La manipulation de charges électroniques individuelles en plusieurs boites quantiques connectées entre elles apparaît alors être simplifiée. Cette manipulation de spin se fait grâce à l’échange cohérent d’un quantum de spin entre deux électrons piégés. Le contrôle du couplage tunnel entre ces deux boites quantiques rend cet échange contrôlé. De cette façon, la manipulation de spin peut se faire à un "sweet spot", un point insensible au bruit de charge, permettant ainsi d'obtenir des oscillations de spin de haute qualité.Le contrôle précis de la charge dans le régime isolé est ensuite utilisé pour contrôler le déplacement d’un électron dans un système circulaire de trois boites quantiques qui sont fortement couplées par effet tunnel. Ainsi la cohérence d'une superposition de deux spins électroniques déplacée le long d’une boucle fermée a été étudiée. Nos mesures montrent le transport cohérent de spins électroniques uniques sur des distances allant jusqu'à 5 μm. Pendant le transfert, le temps de cohérence se révèle être considérablement augmenté. Nous avons identifié le mécanisme sous-jacent à cette amélioration comme provenant d’un rétrécissement, lors du mouvement, des gradients de champ nucléaires générées par l'environnement cristallin. Les sources de décohérence sont discutées et permettent d’obtenir de nouvelles connaissances sur la dynamique interne du processus de transfert entre des boites quantiques couplées. Nos résultats sur le transport cohérent d'électrons peuvent être utilisés pour évaluer les possibilités d’intégration à grande échelle de qubits de spin dans des réseaux de boites quantiques à deux dimensions.

Controlling light by light at the single photon level is a fundamental quest in the field of quantum computing, quantum information science and classical ultra-low power optical computing. A quantum light emitter made of a single two-level system is a highly non-linear medium, where the interaction of one photon with the medium can modify the transmission of another incoming photon. In this scenario, the most challenging issue to obtain a giant optical non-linearity is to optimize photon-emitter interaction. This issue can be overcome by inserting the quantum emitter inside a photonic structure. This system is known as “one-dimensional atom”: the light collection efficiency as well as the probability for an emitter to absorb a photon fed into the structure is maximum. In this study, we aim at using such kind of system to experimentally realize a two-mode giant non-linearity, in which the reflection of one light mode is controlled by another light mode at the single-photon level. The system consists of a semiconductor InAs/GaAs quantum dot, which can be considered as an artificial atom, embedded inside a GaAs photonic wire, which is an optical waveguide. The photonic wire defines a single spatial mode around the emitter and offers a close to unity light-emitter interaction efficiency. In addition, the photonic wire also possesses a spectrally broadband operation range. Thanks to these two excellent features of the system, we experimentally demonstrate in this thesis a single-mode and a two-mode giant non-linearity obtained at the level of just a few tens of photons per emitter lifetime. This realizes an integrated ultra-low power all-optical switch., Contrôler la lumière avec de la lumière au niveau du photon unique est un objectif fondamental dans le domaine de l'information quantique, ou de l'ordinateur optique à très basse puissance. Un émetteur quantique constitué d'un unique système à deux niveaux est un milieu très non-linéaire, pour lequel l'interaction avec un photon peut modifier la transmission d'un photon suivant. Dans ce scenario, le défi pour obtenir une telle non-linéarité géante est d'optimiser l'interaction lumière matière. Une solution à ce défi est d’insérer l'émetteur quantique dans une structure photonique. Ce système est appelé « atome uni-dimensionnel » : la collection de la lumière, tout comme la probabilité d'absorber un photon se propageant dans la structure est maximum.Dans ce travail, nous avons utilisé ce type de système pour réaliser une non-linéarité géante à deux modes, dans laquelle la réflexion d'un des modes est contrôlée par un autre mode au niveau du photon unique. Le système est constitué d'une boite quantique semi-conductrice InAs/GaAs, qui peut être considéré comme un atome artificiel, insérée dans un fil photonique en GaAs opérant comme un guide d'onde. Le fil photonique définit un mode spatial unique autour de l'émetteur et offre une interaction lumière-matière avec une efficacité quasi-idéale. De plus, ce fil photonique présente cette propriété sur une large bande spectrale. Grâce à ces deux propriétés, nous avons démontré expérimentalement une non-linéarité géante à un mode et à deux modes à un niveau de quelques dizaines de photons par durée de vie de l'émetteur. Cela permet de réaliser un interrupteur tout optique intégré, à très faible seuil.

Single photons are ideal candidates to carry quantum information and the major challenge that optical quatum computing must face is to engineer photon matter interaction. A promising way to do so is to implement an efficient spin-photon interface making use of the polarization rotation (so-called Faraday or Kerr rotation) induced by a single spin. Thanks to the polarization rotation, it is possible to transfer the spin state into a polarization state. However, observations of Kerr rotation induced by a single spin were reported only recently, with rotation angles in the few 10-3 degree range.Cavity-QED effects are used to demonstrate a giant exaltation of the spin-photon interaction. The device is a single semiconductor quantum dot spin inserted inside a micropillar, a geometry which currently constitutes the most efficient photonic interface between an external laser beam and a confined cavity mode. Further, quantum dots confine a spin state of charge carrier which can be initialized and optically measured.In this thesis, I realized an experimental setup used to initialize a spin state confined in the quantum dot and to analyze the polarization rotation induced by this spin state. I demonstrated that it was possible to initialize the spin state confined in quantum dot with a circularly polarized beam. Having a well-known spin state, I observed the polarization rotation of ± 6 ° induced by a single spin. This macroscopic polarization rotation is three orders of magnitude three orders of magnitude higher than the previous state of artIn parallel of this experimental work, I studied theoretically spin initialization and polarization rotation phenomenon in our systems. I developed analytical models to characterize and predict the resonant excitation and polarization rotation experiences. Thanks to this theoretical work, I determined realistic parameters for the device to realize an optimal spin-photon interface.This novel way of interfacing a flying qubit and a solid-state quantum memory opens the road for a wide range of applications for quantum information processing and long-distance quantum communication., Les photons uniques sont des candidats idéaux pour transporter l’information quantique et l'un des défis majeurs est de pouvoir faire interagir ces photons entre eux via une interface lumière-matière efficace. Dans ce contexte, de nombreux travaux de recherche ont visé à implémenter une interface spin-photon, c’est-à-dire une interface entre les qubits volants (photons) et un qubit stationnaire (spin d’un porteur de charge confiné dans un dispositif à l’état solide). Des possibilités prometteuses ont en particulier été ouvertes suite à la démonstration du phénomène de rotation de polarisation induite par un spin unique. Cette rotation Faraday/Kerr, phénomène magnéto-optique bien connu mais appliqué ici à l’interaction avec un spin unique, permet en principe de transférer l’état quantique d’un spin sur l’état quantique des photons transmis/réfléchis. Néanmoins, ces observations de rotation de polarisation induite par un spin unique étaient restées limitées à des angles de rotation de l’ordre de quelques millidegrés.Pendant cette thèse, j'ai démontré qu’une exaltation géante de l’interaction spin-photon peut être obtenue en exploitant les effets de l’électrodynamique quantique en cavité. Le système étudié est constitué d'une boîte quantique semiconductrice (InAs/GaAs) couplée de façon déterministe à une microcavité optique de type micropilier : cette géométrie de cavité constitue une des interfaces les plus efficaces entre un faisceau incident et un système quantique confiné. De plus, la boîte quantique utilisée ici contient un porteur de charge résident dont le spin peut-être initialisé et mesuré optiquement.Durant cette thèse, j’ai réalisé un montage expérimental permettant d’initialiser l’état de spin confiné à l’intérieur de la boîte quantique et d’analyser la rotation de polarisation induite par ce spin. J'ai pu ainsi démontrer qu'il était possible d'initialiser l'état de spin à l'intérieur de la boîte quantique grâce à un faisceau polarisé circulairement. Ayant un état de spin initialisé, j'ai pu ensuite observer la rotation de polarisation induite par le spin confiné d'environ ± 6 °. Cette rotation macroscopique de la polarisation constitue trois ordres de grandeurs par rapport à l'état de l'art précédent. En parallèle des travaux expérimentaux, j'ai étudié théoriquement le phénomène d'initialisation et de rotation de polarisation dans nos systèmes boîte quantique en microcavité. J'ai pu développer des modèles analytiques permettant d'analyser et de prédire les expériences d'excitation résonante et de rotation de polarisation. Ces travaux théoriques ont notamment permis de déterminer des paramètres réalistes pour laquelle la rotation de polarisation optimale est atteinte permettant d'obtenir une interface spin-photon efficace.Cette nouvelle interface entre photon et mémoire quantique ouvre la voie à un large panel d’expériences pour l’information quantique et la communication quantique longue distance.

This thesis addresses the light-matter interaction in nitride nanostructures embedded in optical microcavities. By using micro-photoluminescence experiments, we study the optical properties of GaN/AlN quantum dots embedded in planar microcavities and those of GaN/AlN quantum wells in AlN microdisks.By placing quantum dots in planar microcavities, we are able to modify the emission diagram and increase the collection efficiency. The design of the microcavities is optimized by using numerical simulations based on transfer matrix method with an internal emitter. For an AlN microcavity with AlN/AlGaN Bragg mirrors, we show that the collection efficiency could be theoretical increase by one order of magnitude, which is confirmed by our micro-photoluminescence experiments on single quantum dots. This observation opens the way for advanced studies such as photon correlations experiments in the UV range.The second part of our work is devoted to the realization of a micro-laser operating in the deep-UV range at room-temperature. By using thin GaN/AlN quantum wells (2.8 monolayers), grown on silicon substrate and embedded in AlN microdisks, we observe a laser emission at 275 nm under pulsed optical pumping. This demonstration shows the strong potentiality for future developments of nitride-on-silicon nano-photonics.; Cette thèse porte sur l'interaction lumière-matière au sein de nanostructures placées dans des cavités optiques à base de semi-conducteurs nitrures. A l'aide d'expériences de micro-photoluminescence dans l'ultra-violet, nous étudions les propriétés optiques de boîtes quantiques GaN/AlN dans des microcavités planaires et celles de puits quantiques GaN/AlN insérés dans des microdisques AlN.Afin d'améliorer la collection du faible signal de photoluminescence de boîtes quantiques uniques, nous utilisons des microcavités planaires pour modifier le diagramme d'émission d'une boîte quantique. Le dessin des microcavités est optimisé grâce à des simulations numériques basées sur la méthode des matrices de transfert en présence d'un émetteur. Nous montrons que, pour une microcavité nitrure à base de miroirs de Bragg AlN/AlGaN, la collection des photons émis par une boîte quantique peut être théoriquement améliorée d'un ordre de grandeur, ce qui est confirmé par nos mesures sur boîtes quantiques uniques, ouvrant ainsi la voie à des études avancées de corrélations de photons dans l'UV.La seconde partie des travaux est dédiée à la réalisation d'un micro-laser opérant dans l'UV profond et à température ambiante. En utilisant des puits quantiques GaN/AlN de 2,8 mono-couches, crûs sur substrat silicium et insérés dans des microdisques AlN, nous observons une émission laser à 275 nm sous pompage optique impulsionnel. Cette démonstration montre le fort potentiel des semi-conducteurs nitrures pour la nano-photonique UV sur silicium.

This thesis addresses the light-matter interaction in nitride nanostructures embedded in optical microcavities. By using micro-photoluminescence experiments, we study the optical properties of GaN/AlN quantum dots embedded in planar microcavities and those of GaN/AlN quantum wells in AlN microdisks.By placing quantum dots in planar microcavities, we are able to modify the emission diagram and increase the collection efficiency. The design of the microcavities is optimized by using numerical simulations based on transfer matrix method with an internal emitter. For an AlN microcavity with AlN/AlGaN Bragg mirrors, we show that the collection efficiency could be theoretical increase by one order of magnitude, which is confirmed by our micro-photoluminescence experiments on single quantum dots. This observation opens the way for advanced studies such as photon correlations experiments in the UV range.The second part of our work is devoted to the realization of a micro-laser operating in the deep-UV range at room-temperature. By using thin GaN/AlN quantum wells (2.8 monolayers), grown on silicon substrate and embedded in AlN microdisks, we observe a laser emission at 275 nm under pulsed optical pumping. This demonstration shows the strong potentiality for future developments of nitride-on-silicon nano-photonics.; Cette thèse porte sur l'interaction lumière-matière au sein de nanostructures placées dans des cavités optiques à base de semi-conducteurs nitrures. A l'aide d'expériences de micro-photoluminescence dans l'ultra-violet, nous étudions les propriétés optiques de boîtes quantiques GaN/AlN dans des microcavités planaires et celles de puits quantiques GaN/AlN insérés dans des microdisques AlN.Afin d'améliorer la collection du faible signal de photoluminescence de boîtes quantiques uniques, nous utilisons des microcavités planaires pour modifier le diagramme d'émission d'une boîte quantique. Le dessin des microcavités est optimisé grâce à des simulations numériques basées sur la méthode des matrices de transfert en présence d'un émetteur. Nous montrons que, pour une microcavité nitrure à base de miroirs de Bragg AlN/AlGaN, la collection des photons émis par une boîte quantique peut être théoriquement améliorée d'un ordre de grandeur, ce qui est confirmé par nos mesures sur boîtes quantiques uniques, ouvrant ainsi la voie à des études avancées de corrélations de photons dans l'UV.La seconde partie des travaux est dédiée à la réalisation d'un micro-laser opérant dans l'UV profond et à température ambiante. En utilisant des puits quantiques GaN/AlN de 2,8 mono-couches, crûs sur substrat silicium et insérés dans des microdisques AlN, nous observons une émission laser à 275 nm sous pompage optique impulsionnel. Cette démonstration montre le fort potentiel des semi-conducteurs nitrures pour la nano-photonique UV sur silicium.

My PhD work consists in a study of single Quantum Dot (QD) tunnel junctions. Following the introduction chapter, the second chapter will present the fundamental concepts needed to describe a single QD junction, such as quantum confinement and Coulomb blockade. In the third chapter, I will describe the sample fabrication methods and the measurement setups. In the fourth chapter, I will describe a tunneling spectroscopy study of single PbS QDs. Three distinct signatures of strong electron-phonon coupling are observed in the Electron Tunneling Spectrum (ETS) of these QDs. In the shell-filling regime, the 8 times degeneracy of the electronic levels is lifted by the Coulomb interactions and allows the observation of phonon sub-bands that result from the emission of optical phonons. At low bias, a gap is observed in the spectrum that cannot be closed with the gate voltage, which is a distinguishing feature of the Franck-Condon blockade. From the data, a Huang-Rhys factor in the range S~ 1.7 - 2.5 is obtained. Finally, in the shell tunneling regime, the optical phonons appear in the inelastic ETS d2I/dV2. In the fifth chapter, I present a tunnel spectroscopy study of single HgSe QDs. Upon tuning the gate voltage, different occupation levels of the QD can be reached. The gap observed in the ETS changes with the occupation level. A large inter-band gap, 0.9~eV, is observed for the empty QDs, and an intra-band gap 0.2~eV is observed for the doubly occupied QD. Upon illuminating the QD, a photocurrent can be measured using an especially designed demodulation technique. From this measurement, the lifetime τ ~65 μs is extracted for the photogenerated electron-hole in the QD.; Cette thèse consiste en une étude de jonctions tunnels à Quantum Dot (QD) unique. Le second chapitre présentera une introduction aux concepts fondamentaux nécessaires à la description d’une telle jonction. Dans le troisième chapitre, je décrirais les méthodes de fabrications et de mesures. Dans le quatrième chapitre, je décrirais une étude par spectroscopie tunnel de QDs PbS. Trois signatures distinctes du couplage électron-phonon sont observées dans le spectre tunnel. Dans le régime de « remplissage de couches », la dégénérescence d’ordre 8 des états est levée par les interactions de Coulomb et permet l’observation des sous-bandes de phonons résultant de l’émission de phonons optiques. A faible tension, une bande interdite (gap) est observée dans le spectre, laquelle ne peut être fermée avec la tension de grille, ce qui est une signature caractéristique du blocage de France-Condon. A partir de ces données, un facteur de Huang-Rhys de l’ordre de S~1.7-2.5 est obtenu. Finalement, dans le régime de « shell-tunneling », les phonons optiques apparaissent dans le spectre tunnel inélastique d2I/dV2. Dans le cinquième chapitre, je présente une étude du spectre tunnel de QDs HgSe. En appliquant une tension de grille, différents niveaux d’occupation du QD peuvent être atteints. La valeur de la bande interdite change avec le niveau d’occupation. Une valeur de 0.9 eV est observée pour l’inter-bande (QD vide), une valeur de 0.2 eV est observée pour l’intra-bande (QD occupé par 2 e). Sous illumination, un photocourant peut être mesuré en utilisant une technique de démodulation. De cette mesure, une durée de vide τ ~ 65 μs est extraite pour la paire électron-trou photo-générée.

My PhD work consists in a study of single Quantum Dot (QD) tunnel junctions. Following the introduction chapter, the second chapter will present the fundamental concepts needed to describe a single QD junction, such as quantum confinement and Coulomb blockade. In the third chapter, I will describe the sample fabrication methods and the measurement setups. In the fourth chapter, I will describe a tunneling spectroscopy study of single PbS QDs. Three distinct signatures of strong electron-phonon coupling are observed in the Electron Tunneling Spectrum (ETS) of these QDs. In the shell-filling regime, the 8 times degeneracy of the electronic levels is lifted by the Coulomb interactions and allows the observation of phonon sub-bands that result from the emission of optical phonons. At low bias, a gap is observed in the spectrum that cannot be closed with the gate voltage, which is a distinguishing feature of the Franck-Condon blockade. From the data, a Huang-Rhys factor in the range S~ 1.7 - 2.5 is obtained. Finally, in the shell tunneling regime, the optical phonons appear in the inelastic ETS d2I/dV2. In the fifth chapter, I present a tunnel spectroscopy study of single HgSe QDs. Upon tuning the gate voltage, different occupation levels of the QD can be reached. The gap observed in the ETS changes with the occupation level. A large inter-band gap, 0.9~eV, is observed for the empty QDs, and an intra-band gap 0.2~eV is observed for the doubly occupied QD. Upon illuminating the QD, a photocurrent can be measured using an especially designed demodulation technique. From this measurement, the lifetime τ ~65 μs is extracted for the photogenerated electron-hole in the QD.; Cette thèse consiste en une étude de jonctions tunnels à Quantum Dot (QD) unique. Le second chapitre présentera une introduction aux concepts fondamentaux nécessaires à la description d’une telle jonction. Dans le troisième chapitre, je décrirais les méthodes de fabrications et de mesures. Dans le quatrième chapitre, je décrirais une étude par spectroscopie tunnel de QDs PbS. Trois signatures distinctes du couplage électron-phonon sont observées dans le spectre tunnel. Dans le régime de « remplissage de couches », la dégénérescence d’ordre 8 des états est levée par les interactions de Coulomb et permet l’observation des sous-bandes de phonons résultant de l’émission de phonons optiques. A faible tension, une bande interdite (gap) est observée dans le spectre, laquelle ne peut être fermée avec la tension de grille, ce qui est une signature caractéristique du blocage de France-Condon. A partir de ces données, un facteur de Huang-Rhys de l’ordre de S~1.7-2.5 est obtenu. Finalement, dans le régime de « shell-tunneling », les phonons optiques apparaissent dans le spectre tunnel inélastique d2I/dV2. Dans le cinquième chapitre, je présente une étude du spectre tunnel de QDs HgSe. En appliquant une tension de grille, différents niveaux d’occupation du QD peuvent être atteints. La valeur de la bande interdite change avec le niveau d’occupation. Une valeur de 0.9 eV est observée pour l’inter-bande (QD vide), une valeur de 0.2 eV est observée pour l’intra-bande (QD occupé par 2 e). Sous illumination, un photocourant peut être mesuré en utilisant une technique de démodulation. De cette mesure, une durée de vide τ ~ 65 μs est extraite pour la paire électron-trou photo-générée.

Accurate control over the state and motion of single individual electrons would enable a variety of appealing applications reaching from quantized to quantum coherent electron sources. Realizing the accuracy of quantized current sources required for a metrological standard is however extremely challenging and has naturally fuelled fundamental research into single electron transport through mesoscopic structures. A promising candidate, foreseen to meet the demand, combines the concept of quantized charge in single electron transistors (SETs) and the gapped density of states in superconducting metals (hence called hybrid electron turnstile), to produce a quantized current. The time-correlated electron transport (sub-poissonian) between the superconducting leads is conveyed by the continuous density of states of the central normal island. The large amount of available states at the normal island, although favorable in terms of tunnel coupling, has nevertheless two important ramifications i.e. 1) thermal fluctuations and 2) adverse higher-order processes, which limit the performance of hybrid electron turnstiles. Inspired by this ingenious application and the advances in quantum dot trans- port, we explore the operation of a hybrid electron turnstile embodying a bottom-up quantum dot instead of the usual metallic island. The desired devices are obtained by controlled electromigration of aluminium nano-wires preceded by the deposition of gold nano-particles. This in-situ process (conducted at 4 K) produces pristine tunnel junctions between aluminium leads and gold nano-particles with a yield of about 4%. We characterize the stationary and turnstile operation by direct current measurements at 100 mK, in a heavily filtered, but electromigration compatible, inverse dilution refrigerator. Analysis of the acquired conductance maps under stationary conditions, reveal a large charging energy (> 10 meV) and mean level spacing (> 1 meV). With a detailed study of the coherence peak broadening at the Coulomb blockade (CB) threshold, we show that electron transport through the quantum dot is conveyed by a single quantum level. Although the tunnel coupling is weak, the single level life-time is dominated by the lead - quantum dot hybridization as thermal energy fluctuation and in-elastic scattering are suppressed by the large single level spacing on the quantum dot and the superconducting gap in the leads. The observation of sub-threshold resonances parallel to the CB diamond edges are consistent with earlier predicted higher-order Cooper-pair - electron (CPE) cotunneling processes. Under turnstile operation a periodic modulation signal (sine or square wave) is added to the static gate potential. We demonstrate quantized current up to 200 MHz at which its accuracy starts to worsen due to missed tunnel events. Strong experimental evidence of the single quantum dot level nature of our turnstile device is provided by a sharp onset of backtunneling processes and the temperature-robust operation beyond 300 mK. Finally we observe a systematic current suppression unique to the low frequency sine wave operation. Supported by theoretical work, we show that the underlying missed tunnel events are caused by adiabatic traverses across the avoided crossing of a quantum dot level and superconducting gap edges. These experiments deliver the first experimental observation of the level repulsion between an electronic discrete state and a semi-continuum and demonstrate the quantum coherent evolution of our devices under adiabatic operation conditions., Le contrôle du nombre et de l'état quantique d'électrons individuels est un élément clé pour la construction d'applications innovantes comme les sources à un électron ou les standards métrologiques de courant. La difficulté d'atteindre la précision métrologique pour une source de courant alimente la recherche fondamentale sur le transport individuel d'électrons dans les structures mésoscopiques. Un candidat prometteur combine le concept de quantification de la charge dans un transistor à un électron et la bande interdite de la densité d'états d'électrodes supraconductrices. Le transport corrélé en temps d'électrons entre les électrodes supraconductrices est alors assuré par la densité d'états continue de l'ilot métallique central. Le grand nombre d'états électroniques disponibles dans l'ilot, bien que favorable en termes de couplage tunnel, a néanmoins deux conséquences importantes que sont les fluctuations thermiques et des processus parasites d'ordre supérieur, ce qui limite la performance de ces dispositifs. Dans ce contexte, nous explorons le transport de charges dans un tourniquet à électrons hybride basé sur une boîte quantique en lieu et place de l'ilot métallique. Les dispositifs sont réalisés par l'électromigration contrôlée de constrictions d'Aluminium précédée par le dépôt aléatoire de nano-particules d'or. Ce procédé in-situ (réalisé à 4 K) permet l'obtention de jonctions tunnel entre des électrodes supraconductrices d'aluminium et nano-particules d'or avec un taux de succès de l'ordre de 4%. Nous caractérisons le transport statique et en fréquence dans ces nanostructures par la mesure statique du courant à une température de 100 mK dans un environnement fortement filtré, mais néanmoins compatible avec l'électro-migration, d'un réfrigérateur à dilution. L'analyse des cartes de conductance en fonction des tensions drain-source et de grille révèle une énergie de charge très élevée de l'ordre de 10 meV et un écart entre niveaux discrets d'énergie de l'ordre de 1 meV. Par une étude détaillée de l'élargissement des pics de cohérence au seuil du blocage de Coulomb, nous montrons que le transport électronique est assuré par un niveau unique dans la boîte quantique. Bien que le couplage tunnel soit faible, le temps de vie d'un électron dans un niveau donné est dominé par l'hybridation des états électroniques entre les électrodes et la boîte quantique. En effet, les fluctuations thermiques et les processus inélastiques sont inopérants du fait du grand écart d'énergie entre niveaux et de la bande interdite supraconductrice dans les électrodes. L'observation de résonances sous le seuil imposé par le blocage de Coulomb est décrite par des processus de cotunneling de type paire de Cooper-électron. Lorsqu'un signal radio-fréquence de forme sinusoïdale ou carrée est ajouté à la tension de grille, un fonctionnement de tourniquet à électron est montré. Nous obtenons un courant quantifié jusqu'à une fréquence de 200 MHz, au delà de laquelle la précision se dégrade à cause d'évènements tunnel manqués. Le couplage à un niveau unique dans la boîte quantique est clairement démontré par l'apparition d'effets de transport tunnel inversé à grande tension drain-source ainsi que l'insensibilité à la température jusqu'à environ 300 mK. Enfin, nous observons une suppression systématique du courant uniquement à basse fréquence et avec un signal r.f. sinusoïdal. En accord avec une prédiction théorique, nous montrons que les effets tunnel manqués sont causés par un processus adiabatique au travers l'anti-croisement d'un niveau quantique sur la boîte quantique avec la densité d'états des électrodes supraconductrices. Nos expériences fournissent la première démonstration expérimentale de la répulsion de niveaux entre un niveau discret et un semi-continuum, illustrant ainsi l'évolution cohérente de nos tourniquets hybrides à électron dans un régime adiabatique.

Using specific conditions, GaN can be epitaxially grown on a large variety of substrates as a nanowire (NW) array. This geometry allows the subsequent growth of wire-like heterostructures likely free of extended defects, which makes them promising for increasing device controllability and performance. First, my PhD work has been devoted to the understanding of self-organized nucleation of GaN NWs on silicon substrates. For this purpose, a deep characterization of the growth mechanism of the AlN buffer deposited prior to NW nucleation has been done, emphasizing an unexpected large reactivity of Al with the substrate. The requirement of the N polarity to nucleate GaN NWs has been evidenced, although the possible existence of NWs hosting a Ga polar core has been observed as well. In these NWs, an inversion domain boundary is present and has been demonstrated to be optically active, having a photoluminescence signature at 3.45 eV. Next, GaN/AlN wire heterostructures have been grown for structural and optical characterization. It has been shown that by changing the wire diameter, different growth mode for the heterostructure could be reached.At last, thanks to the cylindrical geometry of NWs, the measurement of diffusion length for charge carriers in GaN and AlN NWs have been performed., Usant de certaines conditions, la croissance épitaxiale de GaN sur un large panel de substrats donne lieu à une assemblée de nanofils. Cette géométrie filaire peut permettre la croissance d'hétérostructures libres de tous défauts cristallins étendus, ce qui les rendent attractives pour créer des dispositifs de hautes performances. En premier lieu, mon travail de thèse a visé à clarifier le mécanisme de nucléation auto-organisé des nanofils de GaN sur substrat de silicium. Dans ce but, une étude approfondie de la couche tampon d'AlN, déposée préalablement à la nucléation des nanofils, a été réalisée, mettant en évidence une inattendue forte réactivité de l'Al avec le substrat. La nécessité de la polarité azote pour la croissance des nanofils de GaN a été mise en lumière, bien que des nanofils contenant dans leur cœur un domaine de polarité Ga ont également été observés. Dans ces nanofils, une paroi d'inversion de domaine est présente et a été démontrée être optiquement active, exhibant une photoluminescence à 3.45 eV. Ensuite des hétérostuctures filaires GaN/AlN ont été synthétisée pour des caractérisations structurales et optiques. Il a été montré que le mode de croissance de l'hétérostructure peut être changé en fonction du diamètre du nanofil. En dernier lieu, en prenant avantage de la géométrie cylindrique des nanofils, des mesures de diffusion de porteurs de charge ont été réalisées dans des nanofils de GaN et d'AlN.

This thesis contains the fundamental study of nano-electronic systems at cryogenictemperatures. We made use of ballistic electrons in a two-dimensional electron gasin a GaAs/AlGaAs heterostructure to form a real two-path electronic interferometerand showed how the phase of the electrons and hence their quantum state can becontrolled by means of electrostatic gates. The device represents a promising candidateof a flying qubit. We developed a sophisticated numerical tight-binding model based onballistic quantum transport, which reproduces all experimental findings and allows togain profound knowledge about the subtle experimental features of this particular device.We proposed further measurements with this flying qubit system. With the ultimate goalof building a single electron flying qubit, we combined the single electron source that hasbeen developed in our lab prior to this manuscript with an electronic beam splitter. Theelectrons are injected from static quantum dots into a train of moving quantum dots.This moving potential landscape is induced in the piezoelectric substrate of GaAs bysurface acoustic waves from interdigial transducers. We studied and optimized all keycomponents, which are necessary to build a single electron beam splitter and built up areliable local fabrication process. The device is capable of studying electron interactionson the single electron level and can serve as a measurement platform for quantum opticsexperiments in electronic solid state systems. Finally, we developed a powerful toolcapable of calculating the potential landscapes of any surface gate geometry, which canbe used as a fast feedback optimization tool for device design and proposed an optimizedprototype for the single electron beam splitter.; Ce travail de thèse porte sur l’étude fondamentale de systèmes nano-électroniques,mesurés à très basse température. Nous avons réalisé des interféromètres électroniques àdeux chemins à partir d’électrons balistiques obtenus dans un gaz 2D d’électrons d’unehétéro-structure GaAs/AlGaAs. Nous montrons que la phase des électrons, et ainsileur état quantique,peut être contrôlée par des grilles électrostatiques. Ces dispositifsse révèlent être des candidats prometteurs pour la réalisation d’un qubit volant. Nousavons développé une simulation numérique évoluée d’un modèle de liaisons fortes à partirde transport quantique ballistique qui décrit toutes les découvertes expérimentales etnous apporte une connaissance approfondie sur les signatures expérimentales de cesdispositifs particuliers. Nous proposons des mesures complémentaires de ce système dequbit volants. Pour atteindre le but ultime, à savoir un qubit volant à un électron unique,nous avons assemblé la source à électron unique précédemment développée dans notreéquipe à un beam splitter électronique. Les électrons sont alors injectés depuis une boîtequantique à un train de boîte quantiques en mouvement. Ce potentiel électrostatique enmouvement est généré par des ondes acoustiques de surface créées par des transducteursinter-digités sur le substrat GaAs piézo-électrique. Nous avons étudié et optimisé chacunde ces composants fondamentaux nécessaires à la réalisation d’un beam splitter à électronunique et développé un procédé local et fiable de fabrication. Ce dispositif nous permet d’étudier les interactions électroniques pour des électrons isolés et pourra servir de basede mesure pour des expériences d’optique quantiques sur un système électronique del’état condensé. Enfin, nous avons développé un outil puissant de simulation du potentielélectrostatique à partir de la géométrie des grilles. Ceci permet d’optimiser la conceptiondes échantillons avant même leur réalisation. Nous proposons ainsi un prototype optimiséde beam splitter à électron unique.

We take advantage of the progresses made in the topic of silicon functionalization. Grafted organic monolayer (GOM) on oxide-free Si have been fabricated using hydrosilylation and characterized using FTIR and XPS. The obtained amine terminated GOM has been used to graft Colloidal gold nanoparticles (AuNP). They have been deposited and single electron transport measurements have been performed using STM under UHV: A double barrier tunneling junction (1: GOM; 2: vacuum between the scanning tip and the AuNP). This structure is known to exhibit single electron transport through Coulomb staircase phenomenon. Evidence for its occurrence and for its reproducibility was obtained at 30K. Experimental and simulated data were compared. The latter were acquired using a recently developed theoretical model that has been modified to model our system more accurately. Our goal is to develop an alternative technology to build single electron transistors that are compatible with current Si-based technology. Nanoquantum dots (NQDs) were also deposited on the GOM. Energy transfers through radiative and non-radiative mechanism between NQDs and substrate were observed on plane surface in recent work using photoluminescence (PL) spectroscopy. We show evidence of optimization of the PL count using GOM on silicon nanopillars and with successive grafting of NQDs to form multilayers. We also show evidence of directed energy transfer from NQDs to the silicon substrate using bilayers of NQDs with a size gradient. All these achievements can be combined for the fabrication of NQDs solar cells prototypes with an enhanced efficiency that could compete with existing technologies.; Nous exploitons les progrès récent dans le domaine de la fonctionnalisation du silicium. Des couches moléculaires greffées (GOM) sur du Si non oxydé ont été fabriquées par hydrosilylation pour ensuite être caractérisées par XPS et FTIR. Sa terminaison amine permet le greffage de nanoparticles d'or colloïdes (AuNP). Celles-ci ont été déposées et des mesures ont été prises avec un STM sous UHV: une double jonction tunnel est formée (1 : GOM ; 2 : vide entre la pointe et l'AuNP). Ce type de structure est connu pour permettre l'observation de transport à un électron grâce au phénomène de blocage de Coulomb. Des preuves de son observation et de sa reproductibilité ont été obtenues à 30K. Nos résultats expérimentaux sont comparés à des résultats obtenus grâce à un simulateur récemment développé et modifié pour correspondre à notre système. Nous voulons développer une technologie alternative pour la fabrication de transistors à un électron compatible avec la technologie Si actuelle. Des boîtes quantiques (NQDs) sont aussi déposées sur la GOM. Des transferts radiatifs et non radiatifs d'énergie ont récemment été observés entre NQDs et Si sur surfaces planes à l'aide de mesure en photoluminescence (PL). Nous augmentons la PL en greffant la GOM sur des nano-piliers de Si et en déposant des couches successives de NQDs pour former des multicouches. Nous proposons aussi des preuves expérimentales du transfert d'énergie dirigé entre NQDs jusqu'au substrat avec des bicouches de NQDs avec gradient de taille. Combiner tout ces résultats peut donner lieu à la fabrication de prototypes de cellules photovoltaïques efficaces pouvant rivaliser avec les technologies actuelles.

This PhD dissertation presents a study on the properties of the novel quantum dash nanostructures and their properties for application in optical telecommunications. Over the last decade, scientific community has gained considerable interest over these nanostructures and several demonstrations have been made on their interesting optical and electronic properties, notably owing to their strong quantum confinement. This dissertation focuses on conception, fabrication and system demonstration of integrated optical transmitters based on quantum dash material. A first part of this work analyses the properties of qdashes theoretically and experimentally for their use as an active material in directly modulated lasers. The dynamic properties of this material are then evaluated leading to an optical transmission distances in range of 0-100km under direct modulation. The transmission is particularly studied with a passive optical filter to enhance the dynamic extinction ratio, the use of such passive filters is studied in detail. An innovative and fully integrated optical transmitter is finally demonstrated by integrating a ring-resonator filter to a distributed feedback laser. The second part of this work focuses on mode locked lasers based on this material and in particular the methods of integration of such devices on InP are explored. Thus an innovative Bragg mirror design is developed leading to a mode locked laser integrated with a semiconductor optical amplifier; Ce travail de thèse présente une étude sur les propriétés de nanostructures de type bâtonnets quantiques et de leur application pour les télécommunications optiques. Durant la dernière décennie, ces nanostructures, ont démontré des propriétés optiques et électroniques intéressantes en raison notamment d’un fort confinement quantique dans les trois dimensions d'espace. Cette thèse porte sur la conception et la fabrication d'émetteurs optiques intégrés à base de ce matériau et de leur implémentation dans des systèmes de communication. La première partie de ce travail analyse les propriétés de ces nanostructures, théorique et expérimentale. Elles sont utilisées comme matériau actif de lasers modulés directement en amplitude. Les propriétés dynamiques de ces lasers sont ensuite évaluées et des transmissions sur fibre optique entre 0 et 100 km sont ensuite démontrées en utilisant un filtre étalon permettant d’augmenter en particulier le taux d’extinction dynamique. En s’appuyant sur cette démonstration basée sur des éléments discrets, une version monolithique intégrant un laser et un résonateur en anneaux a été réalisée. La dernière partie de ce travail porte sur des lasers à blocage de mode à base de ce matériau et en particulier sur les méthodes d’intégration sur substrat InP. En particulier, un design de miroir de Bragg innovant a été développé à cet effet et une démonstration d'un laser a blocage de mode intégré avec un amplificateur optique à semi-conducteur a finalement été réalisée

Semiconductor quantum dots offer an attractive route towards efficient and high-quality photon sources for optical quantum information applications, with potential for miniaturization and integration on chip. Here, entangled photon pairs are generated in the biexcitonic radiative cascade resulting from electrical excitation of InAs self-assembled quantum dots placed in a p-i-n diode. In a first set of experiments the non-classical polarisation correlations and the ability to interfere the photons in two-photon interference experiments was verified, finding entanglement fidelities of up to 0.87±0.04 and interference visibilities up to 0.60±0.05. Encouraged by the two-photon interference experiments, the first directly electrically driven teleporter was implemented in a single-mode fibre circuit. An average fidelity of 0.704±0.016 was achieved for six states symmetrically distributed on the Poincaré sphere, beating the classical limit of 2/3 and proving that quantum teleportation is taking place. A modified teleportation setup allowed for the accommodation of input photons from an independent CW laser. Two-photon interference between the dissimilar light sources was demonstrated and quantum beats could be observed. Quantum teleportation of polarisation states carried by laser photons was then performed with average fidelity 0.76±0.012. Controlling confined charge carriers in nano-scale systems such as quantum dots requires a deep understanding of the underlying material physics, even on the nuclear level. Voltage control of electron-nuclear hyperfine spin interactions was demonstrated using a charge-tuneable device. Modelling suggests that the mechanism is controlled mainly via the electron hyperfine correlation time and the nuclear depolarisation time., Les boites quantiques de semiconducteurs représentent une voie attractive pour la réalisation de sources de photon efficaces pour le transfert quantique de l’information, avec un fort potentiel de miniaturisation et d’intégration. Dans ce travail, les paires de photons intriqués sont générées via le déclin radiatif de bi-excitons, à partir de boite quantiques d’InAs auto-assemblées placé dans une jonction p-i-n. Dans une première série d’expérience d’interférence à deux photons, nous avons démontré des corrélations de polarisation non classiques et la capacité de deux photons à interférer. L’intrication a été démontrée avec une fidélité de 0.87±0.04, et une visibilité des interférences de 0.60±0.05. Nous avons ensuite réalisé le premier téléporteur injecté électriquement dans un circuit à fibre monomode. Une fidélité moyenne de 0.704±0.016 a été mesurée pour 6 états distribués symétriquement sur la sphère de Poincaré, ce qui supérieur à la limite classique de 2/3 et prouve la téléportation. Un dispositif modifié de téléportation permettant d’injecter des photons à partir d’un laser continu indépendant a été développé. L’interférence à deux photons entre sources différentes a été démontrée et des battements quantiques observés. La téléportation quantique des états de polarisation portés par les photons a été obtenue avec une fidélité moyenne 0.76±0.012. Le contrôle du spin des charges confinés dans les nanostructures tels que les boites quantiques requiert une compréhension profonde de la physique des matériaux constituant, y compris au niveau nucléaire. Ainsi, nous avons démontré le contrôle électrique de l’interaction hyperfine entre les spins électroniques et nucléaires en utilisant un composant à charge ajustable. La modélisation suggère que le mécanisme est contrôlé par le temps de corrélation hyperfine de l’électron et le temps de dépolarisation du noyau.

Light matter interaction take a prominent part in quantum physics since its beginning. Here, we are concerned with the interaction between elementary excitations of semi-conductor heterostructures (quantum dots and wells excitons) and one fibered Fabry Perot cavity mode. Characterization of geometrical and spectral properties of a plano-concave fibered micro-cavity is presented. The latter is fully tunable, and this new approach allows us to study various cavity quantum electrodynamics aspects. For a single quantum dot in a fibered micro-cavity we demonstrate the onset of strong coupling, and a cooperativity parameter exceeding unity, which make this system suitable for quantum information applications. For a quantum well in a fibered micro-cavity, we obtain similar coupling than the one of integrated devices. This enables us to explore various sights of optically trapped polaritons. These last are the outcome of the strong coupling between excitons and photons, and their lifetimes are long enough to study their thermodynamics properties. The role of the disorder in the quantum well is highlighted, and the non-linearity of the polariton photoluminescence with the pump power is explained as a Dicke transition. Finally the optical confinement enhances polariton-polariton interactions and paves the road to a quantum blockade regime., L'interaction entre la lumière et la matière est au coeur de la physique quantique depuis ses origines. Nous nous intéressons ici à l'interaction entre les excitations élémentaires d'une hétérostructure semi-conductrice (excitons de boîtes et de puits quantiques) et le mode du champ d'une cavité Fabry Perot fibrée. Nous présentons une caractérisation des propriétés géométriques et spectrales des modes de la micro-cavité fibrée plan-concave. Cette dernière est entièrement ajustable et cette nouvelle approche nous permet d'étudier plusieurs régimes de l'électrodynamique quantique d'émetteurs solides en cavité. Pour une boîte quantique unique dans une micro-cavité fibrée nous obtenons un couplage à la limite du régime de couplage fort et une coopérativité supérieure à l'unité, traduisant le potentiel d'un tel système pour des applications dans le domaine de l'information quantique. Pour un puits quantique dans une micro-cavité fibrée, le couplage obtenu est comparable a celui observé dans des structures intégrées et permet d'étudier plusieurs aspects de la physique des polaritons confinés optiquement. Ces derniers, issus du couplage fort d'un exciton et d'un photon, possèdent un temps de vie relativement long qui permet d'étudier les propriétés thermodynamiques du système. Le rôle du désordre dans le puits quantique est explicité. Cela nous permet d'interpréter la non-linéarité de la photoluminescence des polaritons avec la puissance de pompe en termes de transition de Dicke. Enfin, le confinement optique des polaritons, permet d'étudier le rôle des interactions entre polaritons et ouvre la voie vers un régime de blocage quantique de polariton.

In the first part of this thesis we consider a doped GaAs semiconductor and study the spin relaxation on the metallic side of the metal-insulator transition. We take into account two different types of spinorbit coupling, the first of them being associated to the presence of extrinsic impurities, while the other one is the Dresselhaus coupling. To tackle the spin dynamics problem, we develop an analytical formulation based on the spin diffusion of an electron in the metallic regime of conduction of the impurity band. The full derivation provides us with an expression for the spin-relaxation time ,which is free of adjustable parameters. We complement this approach and back our analytical results with the numerical calculation of the spin lifetime.In the second part of the thesis we consider a quantum dot hosted in an InAs nanowire (with awurtzite crystalline structure) and study the effect of spin-orbit coupling on the eigenstates of the zero-dimensional system. We develop here an exact analytical solution for the quantum dot, takinginto account the proper effective spin-orbit coupling for this type of material. We focus on the Dresselhaus coupling, which presents a cubic-in-k term, along with a linear term, characteristic of wurtzite materials. A Zeeman interaction from an external magnetic field is included as well and we compute the effective g-factor as a function of the dot size. Finally, we calculate the spin-relaxation due to acoustic phonons, taking into account the phonon potentials corresponding to the wurtzite structure.; Dans cette thèse nous considérons un semi-conducteur de GaAs dopé, où nous étudions la relaxation du spin du côté métallique de la transition metal-isolant. Nous considérons deux types différents d'interaction de spin-orbite. Le premier d'entre eux est associé aux impuretés et l'autre est de type Dresselhaus. La dynamique du spin est traitée à travers une formulation analytique basée sur la diffusion du spin de l'électron, et un calcul numérique de la durée de vie du spin.Ensuite, nous considérons une boîte quantique hébergée dans un nanofil de matériau InAs (avec une structure cristalline de type wurtzite), afin d'étudier l'effet de l'interaction spin-orbite sur les états propres du système. Nous développons ici une solution analytique pour la boîte quantique en incluant l'interaction spin-orbite (de type Dresselhaus propre à la structure wurtzite). Nous avons calculé le facteur g effectif, ainsi que la relaxation du spin dûe aux phonons acoustiques, en utilisant les potentiels d'interaction electron-phonon propres à la structure wurtzite.

The goal of this thesis was the development of new bright sources of both single and indistinguishable photons that we used for implementing a quantum logic gate. For this purpose, we studied and controlled the spontaneous emission of single semiconductor quantum dot embed in optical structures. First, we proposed a new type of three dimensional cavity - easy to realize and that we named "confined Tamm plasmon modes" cavities - in order to control the spontaneous emission of a quantum dot and to create a bright source of single photons. Then, we fabricated and characterized sources of single photons with brightnesses up to 0.79 photons collected per laser pulse. To do so, we deterministically coupled a single quantum dot to the confined mode of a micropillar. The indistinguishability of the photons emitted by the source has been studied as a function of the pumping conditions. Using a two-color excitation scheme, we obtained for the first time a bright source of indistinguishable single photons. Finally, to show the potential of these sources, we implemented a quantum Controlled-Not gate operating on two single photons. This gate, which flips a target qubit state as a function of a control qubit state, is at the heart of the quantum computer. The measurement of the truth table allows us to determine the success probability of the gate. Using this quantum logic gate, we generated two photons entangled in polarization. The fidelity to the Bell state reaches 71%., L'objectif de cette thèse a été de développer de nouvelles sources brillantes de photons à la fois uniques et indiscernables et de les utiliser pour réaliser une porte logique quantique. Pour cela, nous avons étudié et contrôlé l'émission spontanée de boîtes quantiques semi-conductrices insérées dans des structures optiques. Dans un premier temps, nous avons développé un nouveau type de cavités tridimensionnelles - simples à réaliser et que nous avons nommées cavités à " modes de Tamm plasmoniques confinés " - afin de contrôler l'émission spontanée d'une boîte quantique et de créer une source brillante de photons uniques. Dans un second temps, nous avons fabriqué et caractérisé des sources de photons uniques ayant des brillances records allant jusqu'à 0.79 photons collectés par impulsion laser. Pour cela, nous avons couplé de manière déterministe une boîte quantique à un mode confiné de micropilier. L'indiscernabilité des photons émis par la source a été étudiée en fonction des conditions d'excitation. Un schéma d'excitation à deux couleurs nous a permis d'obtenir pour la première fois une grande indiscernabilité entre les photons à forte brillance de la source. Enfin, pour montrer le potentiel de ces sources, nous avons construit une porte logique quantique Controlled-NOT opérant sur deux photons uniques. Cette porte qui retourne l'état d'un qubit de cible en fonction de l'état d'un qubit de contrôle est l'élément de base d'un ordinateur quantique. Grâce à la mesure de la table de vérité, nous avons obtenu le taux de succès de la porte. Finalement, en utilisant cette porte, nous avons généré deux photons intriqués en polarisation. La fidélité à l'état de Bell atteint 71%.

Results of resonant spectroscopy of a quantum dot strongly coupled to a microcavity are exposed. Rising the power makes the devices reflectivity to drop. This phenomenon has a threshold of 8 photons per pulse ? Which is a record. It is possible to observe fluctuations of the quantum dot emission energy at the scale of the microsecond., Des résultats de spectroscopie par excitation résonante sur une boîte quantique en couplage fort avec une microcavité sont exposés. En augmentant la puissance incidente, la réflectivité du dispositif change. Un seuil de ce comportement est observé pour 8 photons par impulsion, ce qui est un record. Il est possible d'observer des fluctuations de l'énergie d'émission de la boîte quantique en temps réel, à l'échelle de la microseconde.

My thesis focused on the study of photons and electrons con nement in several systems. First, I studied a new type of semiconductor nanocrystals to get at room temperature, an e ficient source of single photons polarized. I developed also a technique for two-photon excitation of polaritons in semiconductor microcavities. Our semiconductor nanocrystals have the particularity to have an elongated shell in cadmium sulfi de (CdS) around a spherical core of cadmium selenide (CdSe). During the last decade, semiconductor nanocrystals are known to be effi cient single photons emitters at room temperature. Their photoluminescence present two defects : Blinking, which is the phenomenon of random switching between on and o ff states, and a very low polarization issue. In this work, acting on the geometric parameters of nanocrystals (diameter of the core and length of the shell) I got strongly polarized single photon emission (linear polarization ratio greater than 80%) and showed the link between polarization and the aspect ratio of the nanocrystals. In addition, nely adjusting the thickness of the shell, I have demonstrated the possibility to reduce strongly blinking, while retaining a single photon source with high quality (g(2) < 0:2). In the second part of my thesis, I am interested in strong light-matter coupling in semiconductor microcavities and micropillars. I have developed and characterized a new type of excitation of polaritons based on two-photon absorption. In the case of micropillars where polaritons are confi ned to a 0D system, we have demonstrated photon lasing with two-photon pumping. Relaxation and interactions between polaritons are also compared under di fferent excitation., Mon travail de thèse a porté sur l'étude du confi nement des photons et des électrons dans plusieurs systèmes. Tout d'abord, j'ai étudié un nouveau type de nanocristaux semiconducteurs pour obtenir -à température ambiante- une source e fficace de photons uniques polarisés. Ensuite, j'ai développé une technique d'excitation à deux photons pour des polaritons de microcavités semiconductrices. Ces nanocristaux semiconducteurs présentent la particularité d'avoir une coquille semiconductrice allongée en sulfure de cadmium (CdS) autour d'un coeur sphérique en séléniure de cadmium (CdSe). Depuis plus de dix ans, les nanocristaux semiconducteurs sont connus pour être des émetteurs efi caces de photons uniques à température ambiante. Leur photoluminescence sou rait de deux défauts : le clignotement, qui est une alternance entre des états allumés et éteints, ainsi qu'une très faible polarisation de leur émission. Lors de mon étude, en agissant sur les paramètres géométriques des nanocristaux (diamètre du c÷ur et longueur de la coquille) j'ai obtenu l'émission de photons uniques fortement polarisés (taux de polarisation linéaire supérieur à 80%) et montré le lien entre la polarisation et le rapport d'aspect des nanocristaux. De plus, en ajustant fi nement l'épaisseur de la coquille, j'ai démontré la possibilité de supprimer drastiquement le clignotement, tout en gardant une source de photons uniques de très haute qualité (g(2) < 0:2). Dans la deuxième partie de mon travail de thèse, je me suis intéressé au couplage fort lumière-matière dans des microcavités et micropiliers semiconducteurs. J'ai développé et caractérisé un nouveau type d'excitation pour les polaritons basé sur une absorption à deux photons. Dans le cas des micropiliers, où les polaritons sont con nés dans un système 0D, nous avons démontré un e et laser sous pompage à deux photons. La relaxation du système et les interactions entre polaritons sont comparées sous différentes géométries d'excitation.

In this thesis we described a series of experimental works, which have been realized in the context of spin qubits, going from their use as information carriers to their use as very sensitive detectors. We use AlGaAs semiconducting heterostructures in which a single electron can be isolated in an electrostatic trap, the so-called quantum dot. The electron spin can be used in order to encode information, and the quantum dot containing this electron can therefore be seen as a qubit (quantum bit). During this thesis we demonstrate the first experimental realization of a single electron transport along a closed path inside a system composed of four coupled quantum dots. By considering spin-orbit interaction, this experiment opens the way toward coherent topological spin manipulations. In the context of quantum computing and spin qubits, we study the two-qubit gates. By considering two tunnel coupled quantum dots, we demonstrate by controlling the local Zeeman splitting that the natural two-qubit gate for spin qubits evolves from the SWAP gate to the C-phase gate. This work demonstrates the feasibility of the C-phase gate. Finally we use spin qubits as very sensitive detectors. A singlet-triplet qubit is a quantum system which can be tuned in order to be very sensistive to the electrostatic environment. Here we report the use of such a qubit to detect a single electron transported next to the detector., Cette thèse décrit une série de travaux réalisés dans le contexte des qubits de spins, allant de l'utilisation de ces qubits pour stocker de l'information à leur utilisation comme détecteurs ultra-sensibles. Nous utilisons des hétérostructures semi-conductrices d'arséniure de gallium dans lesquelles un électron unique peut être isolé au sein d'un piège électrostatique, une boîte quantique. Le spin de cet électron peut être utilisé pour encoder de l'information, et la boîte quantique contenant ce spin unique est alors vue comme un qubit (quantum bit). Au cours de cette thèse nous démontrons la réalisation expérimentale du transport d'un électron unique le long d'un circuit fermé au sein d'un système composé de quatre boîtes quantiques couplées. En considérant l'interaction spin-orbite, cette expérience ouvre la voie vers des manipulations cohérentes de spins utilisant des effets topologiques. Dans le contexte de l'ordinateur quantique et des qubits de spins, nous étudions les portes logiques à deux qubits. Dans le cadre de deux boîtes quantiques couplées par une barrière tunnel, nous démontrons qu'en contrôlant localement le champ magnétique, la porte logique à deux qubits évoluent de la porte SWAP à la porte C-phase. Nous démontrons ainsi la faisabilité d'une porte C-phase. Finalement nous montrons l'utilisation d'un qubit de spin comme un détecteur de charge ultrasensible. Un singlet-triplet qubit est un système quantique qui peut être réglé de manière à être extrêmement sensible à l'environnement électrostatique. Nous démontrons la faisabilité d'un tel détecteur, et nous montrons qu'il peut être utilisé pour détecter un électron unique.