Coherent manipulation of a solid-state artificial atom with few photons.
In a quantum network based on atoms and photons, a single atom should control the photon state and, reciprocally, a single photon should allow the coherent manipulation of the atom. Both operations require controlling the atom environment and developing efficient atom-photon interfaces, for instance by coupling the natural or artificial atom to cavities. So far, much attention has been drown on manipulating the light field with atomic transitions, recently at the few-photon limit. Here we report on the reciprocal operation and demonstrate the coherent manipulation of an artificial atom by few photons. We study a quantum dot-cavity system with a record cooperativity of 13. Incident photons interact with the atom with probability 0.95, which radiates back in the cavity mode with probability 0.96. Inversion of the atomic transition is achieved for 3.8 photons on average, showing that our artificial atom performs as if fully isolated from the solid-state environment.
CNRS-LPN Laboratoire de Photonique et de Nanostructures, Université Paris-Saclay, Route de Nozay, 91460 Marcoussis, France.
V
0000-0002-3061-9731
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Giesz
CNRS-LPN Laboratoire de Photonique et de Nanostructures, Université Paris-Saclay, Route de Nozay, 91460 Marcoussis, France.
N
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Somaschi
Université Grenoble Alpes, F-38000 Grenoble, France.|CNRS, Institut Néel, Nanophysique et Semiconducteurs Group, F-38000 Grenoble, France.
G
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Hornecker
Université Grenoble Alpes, F-38000 Grenoble, France.|CNRS, Institut Néel, Nanophysique et Semiconducteurs Group, F-38000 Grenoble, France.
T
0000-0003-0455-883X
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Grange
Université Grenoble Alpes, F-38000 Grenoble, France.|CNRS, Institut Néel, Nanophysique et Semiconducteurs Group, F-38000 Grenoble, France.
B
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Reznychenko
CNRS-LPN Laboratoire de Photonique et de Nanostructures, Université Paris-Saclay, Route de Nozay, 91460 Marcoussis, France.|Université Paris-Sud, Université Paris-Saclay, F-91405 Orsay, France.
L
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De Santis
CNRS-LPN Laboratoire de Photonique et de Nanostructures, Université Paris-Saclay, Route de Nozay, 91460 Marcoussis, France.
J
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Demory
CNRS-LPN Laboratoire de Photonique et de Nanostructures, Université Paris-Saclay, Route de Nozay, 91460 Marcoussis, France.
C
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Gomez
CNRS-LPN Laboratoire de Photonique et de Nanostructures, Université Paris-Saclay, Route de Nozay, 91460 Marcoussis, France.
I
I
Sagnes
CNRS-LPN Laboratoire de Photonique et de Nanostructures, Université Paris-Saclay, Route de Nozay, 91460 Marcoussis, France.
A
0000-0003-1892-9726
A
Lemaître
CNRS-LPN Laboratoire de Photonique et de Nanostructures, Université Paris-Saclay, Route de Nozay, 91460 Marcoussis, France.
O
O
Krebs
CNRS-LPN Laboratoire de Photonique et de Nanostructures, Université Paris-Saclay, Route de Nozay, 91460 Marcoussis, France.
N D
ND
Lanzillotti-Kimura
CNRS-LPN Laboratoire de Photonique et de Nanostructures, Université Paris-Saclay, Route de Nozay, 91460 Marcoussis, France.|Département de Physique, Université Paris Diderot, 4 rue Elsa Morante, 75013 Paris, France.
L
L
Lanco
Université Grenoble Alpes, F-38000 Grenoble, France.|CNRS, Institut Néel, Nanophysique et Semiconducteurs Group, F-38000 Grenoble, France.
A
A
Auffeves
CNRS-LPN Laboratoire de Photonique et de Nanostructures, Université Paris-Saclay, Route de Nozay, 91460 Marcoussis, France.|Département de Physique, Ecole Polytechnique, Université Paris-Saclay, F-91128 Palaiseau, France.
P
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Senellart