Optomécanique, Quantique, Photon unique, Téléportation, Cryogénie, Nanofabrication, GaAs

La mécanique quantique prédit la discrétisation des niveaux énergétiques de n'importe quel degré de liberté physique, y compris le mouvement mécanique. En particulier pour un oscillateur mécanique, la quasiparticule portant un unique quantum d'énergie est le phonon. La décennie passée a vu plusieurs démonstrations d'oscillateurs mécaniques préparés dans leur état quantique fondamental, autrement dit dans l'état de moindre énergie prédit par la mécanique quantique. Cette thèse explore le potentiel des microdisques en arséniure de gallium en tant qu'oscillateurs mécaniques quantiques. Dans le contexte de l'optomécanique, ces structures micrométriques sont d'un grand intérêt puisqu'elles exhibent à la fois des modes optiques dits de gallerie ainsi que des modes mécaniques de respiration radiale, tous deux de très bonne qualité. Ces deux oscillateurs harmoniques de nature très différentes sont couplés l'un à l'autre via la pression de radiation et l'effet photoélastique, ce qui permet d'étudier le mouvement mécanique par des mesures optiques. En partant d'un système dans son état fondamental mécanique, il a été démontré théoriquement et expérimentalement que l'optomécanique permettait de manipuler l'état quantique de l'oscillateur mécanique à l'échelle du phonon unique. Nous montrons ici théoriquement la faisabilité de protocoles de création et d'annihilation de phonons uniques, notamment pour des applications pratiques telles que la téléportation quantique. Vers la réalisation de ce type d'expériences, nous avons conçu et réalisé un montage expérimental cryogénique permettant des mesures à des températures de l'ordre de 10mK. Nous avons fabriqué des structures optomécaniques de haute qualité et proposons des voies d'amélioration supplémentaires de leurs propriétés. Nous avons également optimisé le couplage optique à ce type de structures. Enfin, nous démontrons avoir refroidi le mode mécanique GHz d'un disque en arséniure de gallium proche de son état fondamental.