Aspects spatiaux de l'intrication en amplification paramétrique : paradoxe Einstein-Podolsky-Rosen dans les images jumelles et expérience de Hong-Ou-Mandel.
Nous étudions les aspects spatiaux de l’intrication, d’une part dans le cadre de la génération d’états intriqués de haute dimensionnalité par amplification paramétrique optique, et d’autre part dans le cadre des expériences dites de Hong- Ou- Mandel. La première partie de cette étude s’attache à démontrer l’existence d’un paradoxe Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) dans le comportement de la lumière de fluorescence générée par un amplificateur paramétrique optique. Le paradoxe EPR estétudié dans le contexte de sa formulation originelle, c’est-à-dire dans le domaine des positions et impulsions. La détection des photons intriqués est assurée à l’aide de caméras particulières,appelées caméras EMCCD, qui présentent la propriété de pouvoir atteindre un régime de comptage de photons. En prenant des images des faisceaux de fluorescence, nous montrons l’existence d’un paradoxe EPR de haut degré. La seconde partie de cette étude concerne les expérience sde Hong- Ou- Mandel et cherche à démontrer, par l’utilisation de simulations, la possibilité d’obtenir une coalescence complète des paires de photons sur toute l’extension spatiale de faisceaux de fluorescence paramétrique. Partant du constat du comportement non-local qui apparaît clairement au cours de cette étude, nous démontrons la possibilité d’ établir une inégalité de Bell pour ce phénomène d’interférence à deux photons. Nous montrons par ailleurs que le formalisme quantique prévoit la violation de cette inégalité de Bell par un état construit en filtrant l’ état intriqué écrit par EPR en 1935.
Nous étudions les aspects spatiaux de l’intrication, d’une part dans le cadre de la génération d’états intriqués de haute dimensionnalité par amplification paramétrique optique, et d’autre part dans le cadre des expériences dites de Hong- Ou- Mandel. La première partie de cette étude s’attache à démontrer l’existence d’un paradoxe Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) dans le comportement de la lumière de fluorescence générée par un amplificateur paramétrique optique. Le paradoxe EPR estétudié dans le contexte de sa formulation originelle, c’est-à-dire dans le domaine des positions et impulsions. La détection des photons intriqués est assurée à l’aide de caméras particulières,appelées caméras EMCCD, qui présentent la propriété de pouvoir atteindre un régime de comptage de photons. En prenant des images des faisceaux de fluorescence, nous montrons l’existence d’un paradoxe EPR de haut degré. La seconde partie de cette étude concerne les expérience sde Hong- Ou- Mandel et cherche à démontrer, par l’utilisation de simulations, la possibilité d’obtenir une coalescence complète des paires de photons sur toute l’extension spatiale de faisceaux de fluorescence paramétrique. Partant du constat du comportement non-local qui apparaît clairement au cours de cette étude, nous démontrons la possibilité d’ établir une inégalité de Bell pour ce phénomène d’interférence à deux photons. Nous montrons par ailleurs que le formalisme quantique prévoit la violation de cette inégalité de Bell par un état construit en filtrant l’ état intriqué écrit par EPR en 1935.
Nous étudions les aspects spatiaux de l’intrication, d’une part dans le cadre de la génération d’états intriqués de haute dimensionnalité par amplification paramétrique optique, et d’autre part dans le cadre des expériences dites de Hong- Ou- Mandel. La première partie de cette étude s’attache à démontrer l’existence d’un paradoxe Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) dans le comportement de la lumière de fluorescence générée par un amplificateur paramétrique optique. Le paradoxe EPR estétudié dans le contexte de sa formulation originelle, c’est-à-dire dans le domaine des positions et impulsions. La détection des photons intriqués est assurée à l’aide de caméras particulières,appelées caméras EMCCD, qui présentent la propriété de pouvoir atteindre un régime de comptage de photons. En prenant des images des faisceaux de fluorescence, nous montrons l’existence d’un paradoxe EPR de haut degré. La seconde partie de cette étude concerne les expérience sde Hong- Ou- Mandel et cherche à démontrer, par l’utilisation de simulations, la possibilité d’obtenir une coalescence complète des paires de photons sur toute l’extension spatiale de faisceaux de fluorescence paramétrique. Partant du constat du comportement non-local qui apparaît clairement au cours de cette étude, nous démontrons la possibilité d’ établir une inégalité de Bell pour ce phénomène d’interférence à deux photons. Nous montrons par ailleurs que le formalisme quantique prévoit la violation de cette inégalité de Bell par un état construit en filtrant l’ état intriqué écrit par EPR en 1935.
Nous présentons dans ce mémoire deux travaux expérimentaux basés sur la formation d'images jumelles par des photons jumeaux : la mise en évidence d'un paradoxe de Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) sur des paires uniques d'images jumelles, et la réalisation d'une expérience d'imagerie fantôme temporelle quantique. Les photons intriqués générés par amplifications paramétrique du bruit quantique permettent la formation d'images à la distribution de photons analogue dans le plan image, et symétrique dans le plan de Fourier : les images jumelles. Dans un premier chapitre nous proposons une description préalable de ces images jumelles, basée sur l'étude des propriétés des faisceaux jumeaux, ainsi que leur acquisition par des caméras EMCCD dans un régime de comptage de photons. Dans le second chapitre, nous mettons en évidence un paradoxe EPR sur des paires uniques d'images jumelles, sans aucun recours à des moyennes temporelles ou propriétés issues de l'ensemble des images. Nous montrons que les intercorrélations de seules deux paires d'images jumelles, l'une acquises dans le plan image et l'autre dans le plan de Fourier, sont suffisantes pour obtenir un degré de paradoxe élevé.Dans le dernier chapitre, nous montrons une expérience d'imagerie fantôme temporelle quantique. Dans cette expérience, les images jumelles sont utilisées pour multiplexer spatialement un signal temporel non répétable. Lorsque l'acquisition de ce signal cause la perte de sa résolution temporelle, les corrélations dues aux photons jumeaux permettent sa reconstitution.
Nous présentons dans ce mémoire deux travaux expérimentaux basés sur la formation d'images jumelles par des photons jumeaux : la mise en évidence d'un paradoxe de Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) sur des paires uniques d'images jumelles, et la réalisation d'une expérience d'imagerie fantôme temporelle quantique. Les photons intriqués générés par amplifications paramétrique du bruit quantique permettent la formation d'images à la distribution de photons analogue dans le plan image, et symétrique dans le plan de Fourier : les images jumelles. Dans un premier chapitre nous proposons une description préalable de ces images jumelles, basée sur l'étude des propriétés des faisceaux jumeaux, ainsi que leur acquisition par des caméras EMCCD dans un régime de comptage de photons. Dans le second chapitre, nous mettons en évidence un paradoxe EPR sur des paires uniques d'images jumelles, sans aucun recours à des moyennes temporelles ou propriétés issues de l'ensemble des images. Nous montrons que les intercorrélations de seules deux paires d'images jumelles, l'une acquises dans le plan image et l'autre dans le plan de Fourier, sont suffisantes pour obtenir un degré de paradoxe élevé.Dans le dernier chapitre, nous montrons une expérience d'imagerie fantôme temporelle quantique. Dans cette expérience, les images jumelles sont utilisées pour multiplexer spatialement un signal temporel non répétable. Lorsque l'acquisition de ce signal cause la perte de sa résolution temporelle, les corrélations dues aux photons jumeaux permettent sa reconstitution.
L’intrication quantique est une ressource importante pour l’avancée scientifique et l’information quantique. En optique quantique, il est possible de construire des états intriqués de multiples photons, permettant leur utilisation pour diverses applications. La génération expérimentale de paires de photons intriqués est, à notre époque, assez simple. La fluorescence paramétrique, parmi d’autres, peut être utilisée pour produire des paires de photons intriqués en polarisation. Cependant, la fluorescence paramétrique ne produit que des paires de photons intriqués et pour certaines applications, il est nécessaire d’avoir des états intriqués de plus de deux photons. Dans ces cas cette méthode est insuffisante. Alors pour créer des triplets de photons intriqués, nous allons avoir besoin de recourir à d’autres méthodes. Une méthode bien connue consiste à faire interférer deux paires de photons intriqués à l’aide d’un réseau de plusieurs séparateurs de faisceaux et de sélectionner certaines mesures après la prise de données pour exclure les événements non-intriqués.[1] Ces montages sont parfois avantageux puisqu’ils permettent la création d’états intriqués comportant un nombre important de photons.[2, 3] Cependant, il y a des lacunes importantes; la nécessité de la nécessité de la sélection à posteriori proscrivant, pour certaines applications, l’utilisation de cette méthode.[4] Il existe cependant une autre méthode, pour les états intriqués d’un faible nombre de photons, qui consiste à utiliser la fluorescence paramétrique sur un des photons d’une paire de photons intriqués elle aussi produite par fluorescence paramétrique. C’est-à-dire, avoir un second stade de fluorescence paramétrique après le premier pour convertir un des photons d’une paire intriquée en une seconde paire, pour avoir comme résultat final un triplet de photons intriqués. Ce processus, nommé fluorescence paramétrique en cascade, donnera naissance à deux applications qui feront l’objet de cette thèse. La création d’états intriqués par fluorescence paramétrique en cascade à premièrement été proposée en 1990.[5] En 2010, la création de triples de photons non-intriqués fut démontrée dans un article qui suggérait que ces triplets de photons pouvaient également être intriqués.[6] Des montages expérimentaux basés sur cette méthode ont ensuite démontré la production de triplets intriqués en polarisation[7] et en énergie-tempsl[8] Des montagnes permettent la cascade hybride, où la fluorescence paramétrique est pompée d’un autre processus d’optique nonlinéaire.[9] Des études démontrent également qu’il est possible de créer des triplets de photons intriqués produits par fluorescence paramétrique en cascade dans un seul cristal,[9, 10] et que l’on pourrait, d’après des résultats théoriques, avoir un contrôle quasi absolu sur les corrélations spectrales des photons en changeant les paramètres de ce cristal.[11] Nous allons ici, comme travail original, discuter de deux applications utilisant la fluorescence paramétrique en cascade. La fluorescence paramétrique en cascade sera premièrement utilisée pour améliorer les sources de photons uniques annoncés. Il sera démontré, par le biais d’un développement analytique et d’une simulation numérique, que le caractère de photon unique de ces sources (quantifié par la fonction de corrélation de second ordre) peut être amélioré de façon significative en régime où le taux de production de photons annoncés est faible, c’est-à-dire, où les détections parasite des détecteurs de photons uniques est non-négligeable.[12] La seconde sera une amélioration du processus de génération de triplets de photons intriqués en polarisation,[7] où un interféromètre de Mach-Zehnder sera remplacé par un interféromètre de Sagnac pour créer un montage dont la phase est intrinsèquement stable.
Photonique quantique sur puce AlGaAs : des études fondamentales aux applications dans les protocoles d'information quantique Le domaine des technologies quantiques, qui vise à manipuler des systèmes quantiques individuels tels que les atomes et les photons, a connu des avancées significatives ces dernières années, ouvrant de nouvelles perspectives dans les domaines du calcul, de la simulation, de la communication et de la métrologie. La photonique quantique intégrée se présente comme une approche prometteuse pour la miniaturisation et la mise à l'échelle de ces technologies, permettant la génération, la manipulation et la détection d'états quantiques de la lumière directement sur puce. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur la plateforme AlGaAs, qui combine plusieurs avantages pour le développement de dispositifs photoniques quantiques intégrés (bande interdite directe, fortes non-linéarités de deuxième et troisième ordre, effet électrooptique), et qui est un choix attractif pour la génération de paires de photons intriqués à température ambiante et à des longueurs d'onde télécom. le travail présenté dans ce manuscrit s'articule autour de trois parties principales. La première, consacrée l'intégration de plusieurs fonctionnalités sur une puce monolithique en AlGaAs, a permis la génération de paires de photons à large spectre et leur séparation en polarisation directement sur puce. Dans la deuxième partie, nous abordons deux questions fondamentales : celle de la limite de précision des mesures de temps basées sur l'interférence Hong-Ou-Mandel dans des conditions non idéales et celle de la nonlocalité quantique dans les réseaux triangulaires. Dans le premier cas, nous proposons un modèle et le validons expérimentalement, en démontrant la dépendance de la précision avec la visibilité de l'interférogramme pour différents types d'états de sonde ; grâce au grand niveau d'indiscernabilité des photons générés par la source AlGaAs, nous atteignons un rapport de 0,97 par comparaison à la limite quantique, établissant ainsi une nouvelle référence dans le domaine. Dans le second cas, nous démontrons pour la première fois l'existence de non-localité dans un réseau triangulaire sans supposer une indépendance complète des sources en simulant le réseau avec divers canaux en fréquence de l'état émis par notre source et en exploitant son niveau élevé d'intrication en polarisation sur une large bande spectrale. Une nouvelle inégalité de type Bell est dérivée en prenant en compte des imperfections potentielles dans les états quantiques, offrant ainsi un cadre plus réaliste pour les tests expérimentaux. Enfin, dans la troisième partie de cette thèse, nous utilisons nos sources AlGaAs dans un réseau de communication quantique déployé dans la région parisienne. Le lien fibre optique reliant les deux campus de l'Université Paris Cité et de Sorbonne Université est caractérisé expérimentalement dans les régimes classique et quantique. Les résultats fournissent une base solide pour la mise en œuvre future de protocoles cryptographiques sur un réseau urbain à fibres optiques et soulignent le potentiel de la plateforme AlGaAs pour l'implémentation de protocoles d'information quantique dans des conditions réelles.
Franck Laloë nous invite ici à une approche assez subtile et innovante de l’article EPR. Cet article est difficile, aussi n’a-t-il pas choisi de commenter ses formules scientifiques – d’autant que maintenant le paradoxe EPR est généralement présenté avec le formalisme de David Bohm, de manière nettement plus simple qu’avec le formalisme de l’article initial de 1935. Laloë attire cependant notre attention sur deux résultats assez différents de l’article :- celui mis en avant par Podolsky (et par la plupart des commentateurs encore maintenant) : pour un des deux systèmes, lorsqu’il est très éloigné de l’autre, on peut envisager pour le futur plusieurs types de mesures avec des paramètres de mesure locaux différents ; les éléments de réalité en question déterminent les résultats de mesure pour tous les types possibles, y compris lorsqu’ils correspondent à des observables incompatibles. Ceci remet en question la notion de « variables incompatibles », essentielle dans l’interprétation standard de l’école de Copenhague. Curieusement, ce résultat est souvent présenté comme le résultat principal de l’article EPR.- celui sur lequel Einstein insistait : pour décrire la même réalité physique attachée au système 2, la mécanique quantique peut utiliser plusieurs vecteurs d’états totalement différents, ce qui en fait une théorie redondante.Pendant des décennies, les physiciens ne se sont guère intéressés à l’argument EPR, préférant se préoccuper de questions plus concrètes et moins « philosophiques ». C’est le théorème de Bell qui a tout changé, avec le fameux article de 1964 « On the Einstein-Podolsky-Rosen paradox » où il prolonge très directement le raisonnement de EPR. Partant des mêmes hypothèses, il montre que la mécanique quantique contient des prévisions qui, dans certains cas, sont contradictoires avec les hypothèses de « réalisme local » faites par EPR. Peu après, suivant la suggestion de Clauser, Shimony et coll. (1969) montrant que des expériences étaient possibles en utilisant des photons émis par des atomes dans des cascades entre niveaux, sont apparues les premières expériences. Elles ont pleinement confirmé les prédictions de la mécanique quantique, même quand elles donnent lieu à des violations des inégalités de Bell. De façon plus générale, les concepts d’intrication mis en avant par Schrödinger et par EPR jouent un rôle de plus en plus essentiel à l’heure actuelle dans des champs de recherche tels que la cryptographie quantique et l’information quantique, qui déboucheront peut-être un jour sur des applications concrètes. L’article EPR a réellement été une des contributions scientifiques les plus marquantes dans le domaine de la mécanique quantique depuis son apparition.