In the context of quantum technologies, InGaAs/GaAs:Mn quantum dots containing a single magnetic atom (a Mn atom) present a level structure and optical selection rules of great interest for the implementation of quantum protocols based on spin-photon entanglement. To confirm the potential of this system, we carried out coherent optical spectroscopy experiments. To this end, we developed a low-temperature (2K) dark-field confocal microscopy setup, based on modal filtering rejection of the reflected resonant laser in a cross-polarized configuration, to perform resonant Raman scattering measurements. By combining 1- and 2-laser experiments addressing the transitions of a V-like system, and an analysis of resonances, Autler-Townes splittings and induced transparency, with a model based on Bloch's equations, we have shown that the coherence of the addressed spin states is largely dominated by their radiative lifetime. Our work also identifies the difficulties that still need to be overcome to make this system truly interesting as a spin-photon interface.

Figure : Principle of 2-laser coherent spectroscopy applied to the levels of an InGaAs/GaAs quantum dot containing a single magnetic Manganese atom.

Au cours des dernières années, les nanofils (NFs) de nitrure de gallium (GaN) ont démontré leur potentiel pour une utilisation dans des dispositifs piézoélectriques. En plus des propriétés de grande stabilité chimique et thermique, et de biocompatibilité du GaN, les NFs ont l’avantage d’avoir une plus grande résistance mécanique et de meilleures propriétés piézoélectriques que le matériau massif. Ces particularités ouvrent alors la voie à une utilisation des dispositifs à NFs à la fois pour des capteurs de force sensibles à de très faibles déformations et pour des systèmes de récupération d’énergie ultra-compacts pour alimenter des dispositifs microélectroniques. Afin de pouvoir employer ceux-ci dans des cadres applicatifs, il est indispensable d’augmenter leur piézo-conversion. Deux axes s’ouvrent alors : l’amélioration des propriétés du matériau et l’optimisation de la conception du dispositif complet au regard de l’application visée. Dans cette thèse, ces deux axes sont abordés. Les étapes de fabrication des dispositifs sont présentées avec leurs objectifs et difficultés. Un système de caractérisation piézoélectrique macroscopique approchant les conditions de sollicitation réelles est utilisé pour l’étude de dispositifs fabriqués. D’un point de vue propriété du matériau, il est démontré que l’insertion d’InGaN dans le volume des NFs de GaN engendre une amélioration systématique des propriétés de piézo-conversion, atteignant une amplitude de tension de 71,4 mV pour une excitation sinusoïdale de 5 N d’amplitude et 210 Hz, et une densité de puissance maximale de 23,1 mW/cm³ (3,2 µW/cm²) en contact intermittent à 5 N de force maximale et 10 Hz. D’un point de vue de la conception du dispositif, l’influence sur la piézo-génération de la dureté de la matrice polymère encapsulant les NFs de GaN est discutée et complétée par des mesures de module de Young du composite nanofils/matrice. Pour les NFs de GaN présentant un diamètre inférieur à 100 nm, leur efficacité de piézo-conversion dépend fortement des charges de surface, et donc de leur environnement direct. La matrice exerce donc ici une seconde influence sur la piézo-génération du dispositif. Afin d’explorer cette incidence, des dispositifs avec différentes matrices polymères de duretés comparables, pour des NFs de GaN et de GaN/Al₂O₃, sont étudiés. Enfin, la dureté des électrodes de collecte des énergies générées est abordée. Tous ces aspects mettent en évidence les choix technologiques qui doivent être fait au regard de l’application visée.

Semiconductor quantum dots embedded in photonic cavities are promising emitters of single photons for photonic quantum technologies. In addition, a semiconductor quantum dot can confine a single charge carrier (electron or hole) whose spin can be used as a local memory, leading to interesting applications. In 2009, it was proposed to use such charged quantum dots to emit large entangled states comprising the confined spin and many photons. These so-called cluster states are of particular interest for scalable, measurement-based photonic quantum computing. The challenge in generating these quantum states lies in the combination of efficient photon generation with control over the confined spin: while both aspects have been demonstrated separately, their combination has remained so far elusive.

In this thesis, we use semiconductor quantum dots to experimentally generate entangled states of spin and photons. To do so, we rely on an off-resonant, phonon-assisted excitation technique to generate single photons in an efficient manner, while preserving access to the spin via the emitted photons polarization. We explore the physics of single spins in the quantum dot, characterizing in particular their coherence properties. We then use a charged QD-cavity device to generate three-partite entangled states at high rates, comprising the spin and two indistinguishable photons, thereby demonstrating for the first time the implementation of the 2009 proposal with a quantum dot in a 3-dimensional photonic cavity. Finally, we also explore the use of neutral quantum dots to generate hyperencoded quantum states, where a single photon is in a superposition of several degrees of freedom.

figure : a. Scanning electron microscopy image of the device. A train of linearly-polarized pulses leads to entanglement between the spin and successively emitted photons. b. Energy levels and optical selection rules of the charged quantum dot under small (< 100mT) transverse magnetic field. c. Projection of the measured Bloch vector of the second emitted photon while scanning t23, after measurement of the last photon in R (yellow) or L (blue).

Les guides en nitrure de silicium (Si₃N₄) offrent des pertes minimales et permettent de créer des résonateurs optiques compacts de haute qualité. D'autre part, le phosphure d'indium (InP) est un semi-conducteur polyvalent de type III-V qui autorise l'intégration de sources lasers, de modulateurs optoélectroniques, d'amplificateurs optiques et de photodétecteurs à grande vitesse sur une seule puce. En combinant une puce en nitrure de silicium avec une puce en InP dans une configuration hybride, nous pouvons réaliser des lasers hybrides, tels que les lasers à verrouillage de modes à faible taux de répétition (<1 GHz), adaptés aux applications RADAR et LIDAR. Dans le cadre de cette thèse, nous concevons un laser à verrouillage de modes avec une fréquence de répétition de 364 MHz en utilisant un amplificateur à semiconducteur (R-SOA) en InP et une puce passive Si₃N₄. Le développement de ce laser implique une étude des circuits intégrés photoniques hybrides, comprenant des simulations et des mesures, avec un accent particulier sur la génération d'impulsions optiques d'une durée de vie de l'ordre de la dizaine de picosecondes, ainsi que sur l'incorporation de composants tels que des filtres et des amplificateurs sur la même puce pour répondre aux exigences des applications ciblées.

Le stimulateur cardiaque sans sonde est le concept de stimulateur cardiaque le plus récent qui a été développé pour surmonter les limites des stimulateurs cardiaques conventionnels. Cette technologie offre un meilleur confort aux patients, un risque d'implantation plus faible et une plus grande fiabilité. Cependant, en raison de l'extrême miniaturisation requise pour l'implantation à l'intérieur des cavités cardiaques, ces dispositifs souffrent d'une durée de vie limitée de la batterie. Ce travail présente une solution pour prolonger la durée de vie de la batterie en convertissant l'énergie biomécanique des battements de coeur en électricité à l'aide d'un dispositif de récupération d'énergie MEMS électrostatique innovant. Sur la base de modèles théoriques et d'expériences, nous proposons une approche générale pour choisir le circuit d'interface optimal en tenant compte de la capacitance parasite du circuit, qui est une imperfection qui affecte grandement les performances de puissance. Sur la base de l'énergie consommée par la dernière génération de stimulateurs cardiaques sans sonde, la solution MEMS proposée avec un circuit d'interface optimal a montré expérimentalement la possibilité de prolonger la durée de vie de la batterie du stimulateur cardiaque jusqu'à 44%.

In this PhD work, we study key features for optical quantum information processing, namely the possibility to perform quantum interferences and generate entanglement with many photons. We use a semiconductor quantum-dot (QD) embedded in a monolithic micropillar optical cavity as a bright source of pure and indistinguishable single photons. Interfacing such high-performance single-photon sources with reconfigurable glass photonic circuits fabricated using femtosecond laser micromachining, we manipulate up to four photon on chip. We first explore the measurement of multiphoton indistinguishability, a non-trivial task for state of n > 2 photons. It is defined as the overlap of the multiphoton state with the pure state made of n identical photons. We use a scalable  interferometer design that has N = 2n modes and includes a cyclic array of beam splitters to experientially quantify the indistinguishability of a 4-photon state on an 8-mode integrated version of this interferometer. We measure a 4-photon indistinguishability of 0.81±0.003, providing a first reference value and benchmark of four-photon indistinguishability. Then, we demonstrate high-fidelity high rate generation of a 4-partite GHZ states on chip, and perform a first proof-of-principle of a real-world application by demonstrating a 4-partite quantum secret sharing protocol. We achieved a fidelity of F=86% to the target GHZ state, and a state purity of P=76.3%. We have certified the genuine entanglement of the generated state with a semi device-independent approach within 39 standard deviations. In our quantum key distribution protocol, we reach a QBER of 10.87%, just below the 11% threshold to ensure a secure communication. Finally, we study remote two-photon interference with photons generated from independent remote electrically tunable bright single-photon sources deterministically fabricated using the in-situ lithography technique. We measure 2 photon interference from four pairs of remote independent bright single- photon sources using pulsed excitation schemes. Us- ing resonant excitation, we show that we can reach up to V=54.8±1% without any spectral filtering, and V=69±1% when the single-photon are filtered to reduce the impact of charge noise.

In our digital era, marked by an exponential growth in computational power and memory capacity, we are confronted with a pressing challenge: the escalating energy consumption of information technology. The increasing demand for data-intensive services, notably artificial intelligence and cloud computing, underscores the urgent necessity for energy-efficient computing solutions that are environmentally sustainable and foster innovation. This thesis explores the potential of memristors for neuromorphic computing to achieve energy-efficient AI.

 Because Spiking Neural Networks could offer the promise of low-energy learning, we first focused on hardware neurons composed of volatile NbOx filamentary memristors. These components emerge as appealing alternatives to conventional CMOS devices because of their scalability and spiking behaviors. These devices were characterized and reproduced numerous neuronal spiking and bursting behaviors, such as Leaky-Integrate-and-Fire characteristics and phasic bursting. 

We then focused on the algorithmic side and tackled the challenge of adapting the Equilibrium Propagation (EqProp) algorithm to physical systems. EqProp, rooted in physics rather than calculus, offers an attractive prospect—harnessing the inherent physics of hardware systems for on-chip learning. This work revolved around addressing the challenges posed by continuous-valued gradients in a memristor-based environment, where the mode of programming is a series of pulses.

Next, we tested the resilience of the discretized version of EqProp by replacing the ideal software synapses with HfOx memristor data, reaching more than 91% accuracy on the MNIST dataset.