The peculiar laws of quantum physics offer a mechanism for exploring fundamentally new types of information processing that promise unprecedented speed and security. Realizing this technology requires a quantum system that can be controlled with exquisite precision, and which can be duplicated and combined into a scalable quantum network. Quantized magnetic moments in diamond, controlled using light via an atom-like defect called the germanium vacancy center, are an example of such a system. The central goal of the work pursued in this thesis is to develop an efficient optical interface for such defects through coupling to an optical cavity, thereby increasing the strength of their interaction with light.

To that end, we present progress toward developing a tunable cavity platform using a microscopic mirror fabricated on the tip of an optical fiber. The first manuscript provides a detailed characterization and model of the optical modes of this system. The model takes into account different sources of loss, such as scattering, absorption, and clipping losses at the fiber mirror resulting from coupling to higher order modes. The second manuscript provides a demonstration of room-temperature cavity coupling to a single emitter. We observe emission into the cavity mode beyond what is possible by filtering effects, resulting in an increased spectral density of cavity fluorescence. In the final manuscript, we actively stabilize the cavity length to the frequency of a laser, achieving a feedback bandwidth of 44 kHz. The laser frequency could in turn be stabilized to the fixed frequency of an emitter optical transition, thereby reducing the cavity detuning.

Moving forward, this system can be cooled to cryogenic temperature where it should be possible to achieve a strong enhancement of coherent emission into the cavity mode. Such a device would directly impact progress towards building a scalable quantum information processing network and will open new avenues for exploring fundamental physics

Les étonnantes lois de la physique quantique offrent un mécanisme permettant d’explorer des types de traitement de l’information fondamentalement nouveaux, promettant des vitesses et un niveau de sécurité sans précédent. La mise en œuvre de cette technologie requière un système quantique apte à être contrôlé avec une extrême précision et pouvant être dupliqué et combiné afin de former un réseau quantique extensible. Un exemple de système répondant à ces caractéristiques est le moment magnétique quantique associé à certains défauts cristallographiques dans le diamant, tel que le défaut dit « centre Germanium-lacune ». Les transitions optiques de ce type de défauts, similaires à celles d’un atome, permettent la manipulation de son moment magnétique de spin par le biais d’ondes lumineuses. Le but principal du travail effectué lors de cette thèse est le développement d’une interface efficiente entre ces défauts et la lumière. Cette interface se matérialise sous la forme d’une cavité optique accroissant l’interaction entre onde et matière.

Dans cet objectif, nous présentons les progrès visant à développer une plateforme ajustable, basée sur un miroir microscopique fabriqué à l’apex d’une fibre optique. Le premier manuscrit fournit une caractérisation détaillée de cette plateforme et décrit un modèle prenant en compte les pertes optiques du système. Le modèle singularise les différentes sources des pertes comme la diffusion, l’absorption et les pertes l’écrêtage dues au couplage avec des modes d’ordres supérieurs. Le second manuscrit démontre le couplage à température ambiante entre un émetteur isolé et la cavité optique. Nous observons une émission préférentielle dans le mode optique définit par la cavité, au-delà d’un simple effet de filtrage, résultant en une augmentation de la densité spectrale. Dans le dernier manuscrit, nous stabilisons la longueur de la cavité vis-à-vis de la longueur d’onde d’un laser de référence et obtenons une bande passante de rétroaction de 44 kHz. La fréquence du laser de référence pourrait être à son tour asservie à une fréquence fixe correspondant à la transition optique d’un émetteur, réduisant ainsi le désaccordage de la cavité.

Dans le future, ce système pourrait être refroidi à basses températures, pour lesquelles il devrait être possible de d’obtenir une forte amélioration de l’émission dans le mode de la cavité. Un dispositif de ce type participerait directement au progrès visant à construire un réseau quantique extensible et ouvrirait de nouvelles portes dans l’exploration de la physique fondamentale