Cette thèse explore certaines possibilités qu'offre l’optique intégrée en silicium pour des applications en ingénierie quantique. Un premier chapitre établi la théorie de la propagation non linéaire scalaire du champ électrique dans des guides d’onde en silicium. La génération de paires dans de tels guides est également présentée. Le second chapitre reprend un travail expérimental de caractérisation des propriétés non linéaires des guides utilisés. Le résultat original principal de ce travail est un montage de caractérisation non linéaire par la méthode D-scan en régime picoseconde. Le cœur du travail est présenté dans le troisième chapitre, il s'agit de la mise en évidence, la caractérisation et de l'étude approfondie de la génération de paires de photons au sein de guides d’ondes. Le dernier chapitre est consacré à l'intégration proprement dite de la source de paires de photons au sein d’un circuit quantique afin de réaliser la majeure partie d’un expérience clé d’optique quantique sur une puce en silicium. Nous présentons deux sources de paires de photons prêtes pour l'intégration avec un circuit optique (paires en cavité et filtration spectrale). Nous présentons ensuite la préparation d'expériences intégrées préliminaires. En particulier, nous montrons l'enchevêtrement en chemin produit dans une structure intégrée. Nous réalisons également l'expérience de Hong-Ou-Mandel.
Cette thèse explore certaines possibilités qu'offre l’optique intégrée en silicium pour des applications en ingénierie quantique. Un premier chapitre établi la théorie de la propagation non linéaire scalaire du champ électrique dans des guides d’onde en silicium. La génération de paires dans de tels guides est également présentée. Le second chapitre reprend un travail expérimental de caractérisation des propriétés non linéaires des guides utilisés. Le résultat original principal de ce travail est un montage de caractérisation non linéaire par la méthode D-scan en régime picoseconde. Le cœur du travail est présenté dans le troisième chapitre, il s'agit de la mise en évidence, la caractérisation et de l'étude approfondie de la génération de paires de photons au sein de guides d’ondes. Le dernier chapitre est consacré à l'intégration proprement dite de la source de paires de photons au sein d’un circuit quantique afin de réaliser la majeure partie d’un expérience clé d’optique quantique sur une puce en silicium. Nous présentons deux sources de paires de photons prêtes pour l'intégration avec un circuit optique (paires en cavité et filtration spectrale). Nous présentons ensuite la préparation d'expériences intégrées préliminaires. En particulier, nous montrons l'enchevêtrement en chemin produit dans une structure intégrée. Nous réalisons également l'expérience de Hong-Ou-Mandel.
Génération et manipulation d'états photoniques pour la communication quantique Le travail présenté dans cette thèse est principalement divisé en deux parties. Une première partie expérimentale dans laquelle des réalisations basées sur des solutions d’optique guidée et d’optique intégrée à une longueur d’onde télécom sont mises en oeuvre dans les régimes continu et pulsé. La motivation derrière cette partie est de développer des solutions et techniques expérimentales permettant des implémentations de protocoles de communication quantique sur le terrain. La deuxième partie consiste en l’étude théorique de la génération d’états quantiques non gaussiens de haute qualité et de haute amplitude avec des ressources relativement raisonnables. Dans la partie expérimentale, trois réalisations sont présentées. La première consiste à générer des états de type chat de Schrödinger en régime continu à une longueur d’onde télécom utilisant une approche d’optique guidée basée sur des composants fibrés disponibles sur le marché. Une deuxième réalisation consiste en la conception et la caractérisation expérimentale d’une source SPDC guidée pour la génération d’états quantiques discrets et continus de haute qualité ainsi que l’intrication hybride. Enfin, le troisième travail expérimental concerne les premières caractérisations des résonateurs de type micro-anneaux en nitrure de silicium à faible perte et à haut facteur de qualité pour la génération d’intrication multimode dans un peigne de fréquence. Ces implémentations expérimentales sont menées dans le but d’évoluer vers des applications de protocoles de communication quantique hors laboratoire. D’autre part, deux études théoriques sont menées dans la deuxième partie. Dans un premier temps, nous développons un cadre théorique pour décrire l’opération de soustraction de photons à partir d’un état quantique multimode. En appliquant ce cadre au cas de la production d’états de type chat de Schrödinger, nous montrons que des états non gaussiens de haute qualité peuvent être obtenus avec des solutions simples et non sélectives de mode dans le régime multimode. Ensuite, nous proposons un nouveau protocole pour la génération d’état non gaussien de haute amplitude basé sur les capacités de multiplexage offertes par les sources photoniques, réduisant considérablement la complexité et augmentant les performances par rapport aux protocoles itératifs déjà existants.
Le travail présenté dans cette thèse est principalement divisé en deux parties. Une première partie expérimentale dans laquelle des réalisations basées sur des solutions d’optique guidée et d’optique intégrée à une longueur d’onde télécom sont mises en oeuvre dans les régimes continu et pulsé. La motivation derrière cette partie est de développer des solutions et techniques expérimentales permettant des implémentations de protocoles de communication quantique sur le terrain. La deuxième partie consiste en l’étude théorique de la génération d’états quantiques non gaussiens de haute qualité et de haute amplitude avec des ressources relativement raisonnables. Dans la partie expérimentale, trois réalisations sont présentées. La première consiste à générer des états de type chat de Schrödinger en régime continu à une longueur d’onde télécom utilisant une approche d’optique guidée basée sur des composants fibrés disponibles sur le marché. Une deuxième réalisation consiste en la conception et la caractérisation expérimentale d’une source SPDC guidée pour la génération d’états quantiques discrets et continus de haute qualité ainsi que l’intrication hybride. Enfin, le troisième travail expérimental concerne les premières caractérisations des résonateurs de type micro-anneaux en nitrure de silicium à faible perte et à haut facteur de qualité pour la génération d’intrication multimode dans un peigne de fréquence. Ces implémentations expérimentales sont menées dans le but d’évoluer vers des applications de protocoles de communication quantique hors laboratoire. D’autre part, deux études théoriques sont menées dans la deuxième partie. Dans un premier temps, nous développons un cadre théorique pour décrire l’opération de soustraction de photons à partir d’un état quantique multimode. En appliquant ce cadre au cas de la production d’états de type chat de Schrödinger, nous montrons que des états non gaussiens de haute qualité peuvent être obtenus avec des solutions simples et non sélectives de mode dans le régime multimode. Ensuite, nous proposons un nouveau protocole pour la génération d’état non gaussien de haute amplitude basé sur les capacités de multiplexage offertes par les sources photoniques, réduisant considérablement la complexité et augmentant les performances par rapport aux protocoles itératifs déjà existants.
Electrodynamique quantique en cavité avec des centres colorés dans le silicium : des ensembles à la source de photons uniques Les photons sont d’excellents porteurs d’information quantique. La génération, manipulation et mesure d’états quantiques photoniques ont permis des avancées pionnières dans le domaine de la physique quantique, ouvrant la voie vers des technologies disruptives. La photonique quantique intégrée, c’est-à-dire la manipulation de photons sur puce, est à l’avant-garde de cette révolution. En particulier, les circuits intégrés sur silicium sont devenus la principale plateforme pour la photonique quantique à grande échelle. Cependant, la difficulté à injecter sur-demande des photons dans une puce en silicium est un obstacle majeur au niveau de complexité atteignable par les systèmes actuels. Dans ce contexte, l’observation de défauts fluorescents uniques dans le silicium, appelés centres colorés, ouvre la voie vers l’intégration de sources atomiques de photons uniques. Bien que plusieurs centres colorés aient démontré leur faculté à émettre des photons dégroupés, leur application en pratique requiert de contrôler leurs propriétés d’émission par des effets d’électrodynamique quantique dans des cavités optiques.Cette thèse de doctorat est consacrée à l’électrodynamique quantique en cavité avec des centres colorés du silicium en cavités optiques, en vue de fabriquer une source efficace de photons uniques. Les efforts sont d’abord orientés sur des ensembles de centres G dans des cavité de type micro-anneau. Leurs propriétés optiques sont étudiées par spectroscopie de microphotoluminescence, et une exaltation de leur taux d’émission zéro phonon est démontrée. Cependant, une analyse quantitative révèle une faible efficacité quantique, motivant le choix d’un autre émetteur pour la suite. L’attention est alors tournée vers le centre W. Une exaltation du taux de recombinaison total est obtenue pour un ensemble de centres W en cavité à miroir de Bragg circulaire. Grâce à une analyse quantitative basée sur du calcul par différences finies dans le domaine temporel, une haute efficacité quantique est estimée. Ces résultats étant encourageants dans le cadre de l’émission de photons uniques, un montage optique est développé pour résoudre des émetteurs uniques et une stratégie est mise en place pour fabriquer des émetteurs isolés, menant à l’observation de centres W uniques dans du silicium-sur-isolant non-gravé. En utilisant un procédé de fabrication permettant un positionnement déterministe, les émetteurs sont intégrés dans des cavité à miroir de Bragg circulaire, menant à une exaltation de leur intensité de photoluminescence de plusieurs ordres de grandeur par effet Purcell. Ce travail mène à la démonstration d’une source d’impulsions à photons uniques.Un prochain jalon sera la démonstration d’une source de photons uniques pour la photonique quantique intégrée, à partir d’un centre coloré dans une cavité optique couplée à un guide d’onde. Au-delà de l’intérêt pour la photonique quantique intégrée, l’observation d’une photoluminescence intense pour un centre unique offre la perspective d’un plus large panel d’expériences, permettant de sonder des questions fondamentales liées à leur photophysique.
Après une première révolution quantique marquée par l'avènement de la physique quantique et de ses lois contre-intuitives, le monde du XXIe siècle est en proie à une seconde révolution articulée autour des technologies quantiques. Ces dernières promettent un bouleversement important dans les domaines de la communication, du calcul, de la simulation et de la métrologie. Dans cette thèse, nous abordons deux des quatre sous-domaines cités précédemment, à savoir ceux de la communication et de la métrologie quantique. Le mot d'ordre rassemblant ces travaux est l'intrication. En effet, nous montrons que, grâce à cette propriété fondamentale, les performances des systèmes de communication et de métrologie standards peuvent être surpassés. Ainsi, nous présentons comment générer ces états intriqués responsables de l'avantage quantique, et ce sur différentes plateformes technologiques. La première plateforme exploitée est le silicium. Récente pour la photonique, elle combine des avantages de maturité permettant l'intégration de nombreuses structures micrométriques sur une même puce, avec des propriétés non-linéaires, basés sur des processus d'ordre 3, efficaces. Le silicium se destine alors à de nombreuses applications comme nous le montrons en générant des paires de photons intriqués démultiplexés spectralement et directement compatibles avec les réseaux de télécommunications standards. La seconde plateforme que nous présentons est le niobate de lithium. Cette dernière, très exploitée dans bon nombres de travaux en photonique quantique, possède une efficacité de génération de paires de photons intriqués très importante, notamment grâce à l'exploitation de processus non-linéaires d'ordre 2. Nous détaillons une expérience de génération d'états hyper-intriqués, qui, à l'instar du silicium, est orientée vers le domaine de la communication quantique. Enfin, nous exploitons aussi ces paires de photons intriqués combinés à des méthodes d'interférométrie quantique afin de réaliser une expérience de métrologie quantique. Le but de cette dernière étant de mesurer avec une précision inédite la différence d'indices de réfraction de fibres bi-coeurs.
La photonique silicium est un domaine prolifique de l’optique intégrée. Elle permet de miniaturiser de nombreuses fonctionnalités optiques, l’émission laser (en considérant les stratégies d’intégration hybride), la modulation électro-optique, le routage, la détection, pour les télécoms, les LIDAR ou la spectroscopie, la métrologie, les capteurs et laboratoires sur puce, toute en produisant à grande échelle avec une grande précision et à bas coût (grâce au technologies CMOS de la microélectronique). L’optique quantique, quant à elle, souffre d’une grande sensibilité aux vibrations et à l’environnement. Les montages optiques nécessitent stabilité, alignement parfait et un grand nombre d’éléments optiques, ce qui limite son développement à grande échelle. Inversement, tous ces aspects sont naturels en photonique intégrée. Le développement de la photonique quantique est ainsi susceptible de permettre l’implémentation à large échelle de systèmes de clés de cryptage pour les télécoms et le calcul quantique. Les prérequis de la photonique quantique sont globalement plus sévères que ceux de la photonique classique. La génération d’états quantiques nécessite notamment un niveau de réjection de la pompe de plus de 100 dB ; le niveau de bruit photonique ambiant sur la puce est également un facteur à soigner particulièrement dans la mesure où les paires de photons générées par les processus quantiques sont par principe de très faible puissance. Dans ce contexte, cette thèse aborde le développement de composants et de circuits pour la photonique quantique silicium. Le but est de générer des états intriqués en énergie-temps et de pouvoir les manipuler sur une puce. Cela va de la conception à l’utilisation des paires de photons, en passant par la fabrication des circuits intégrés optiques. La qualification des propriétés quantiques est aussi explorée afin de cerner les limitations de la plateforme silicium pour le domaine applicatif visé. L’esprit de ce travail est également de proposer des solutions restantes compatibles avec les canaux de télécommunications standard (ITU), de n’utiliser que des composants fibrés standards pour les connexions à réaliser, tout en restant compatibles avec les techniques de fabrication industrielle des grandes fonderies microélectroniques afin de permettre une future production à grand échelle des circuits photoniques quantiques.
La photonique silicium est un domaine prolifique de l'optique integree. Elle permet de miniaturiser de nombreuses fonctionnalites optiques, l'emission laser (en considerant les strategies d'integration hybride), la modulation electro-optique, le routage, la detection, pour les telecoms, les LIDAR ou la spectroscopie, la metrologie, les capteurs et laboratoires sur puce, toute en produisant a grande echelle avec une grande precision et a bas cout (grâce au technologies CMOS de la microelectronique). L'optique quantique, quant a elle, souffre d'une grande sensibilite aux vibrations et a l'environnement. Les montages optiques necessitent stabilite, alignement parfait et un grand nombre d'elements optiques, ce qui limite son developpement a grande echelle. Inversement, tous ces aspects sont naturels en photonique integree. Le developpement de la photonique quantique est ainsi susceptible de permettre l'implementation a large echelle de systemes de cles de cryptage pour les telecoms et le calcul quantique. Les prerequis de la photonique quantique sont globalement plus severes que ceux de la photonique classique. La generation d'etats quantiques necessite notamment un niveau de rejection de la pompe de plus de 100 dB ; le niveau de bruit photonique ambiant sur la puce est egalement un facteur a soigner particulierement dans la mesure ou les paires de photons generees par les processus quantiques sont par principe de tres faible puissance. Dans ce contexte, cette these aborde le developpement de composants et de circuits pour la photonique quantique silicium. Le but est de generer des etats intriques en energie-temps et de pouvoir les manipuler sur une puce. Cela va de la conception a l'utilisation des paires de photons, en passant par la fabrication des circuits integres optiques. La qualification des proprietes quantiques est aussi exploree afin de cerner les limitations de la plateforme silicium pour le domaine applicatif vise. L'esprit de ce travail est egalement de proposer des solutions restantes compatibles avec les canaux de telecommunications standard (ITU), de n'utiliser que des composants fibres standards pour les connexions a realiser, tout en restant compatibles avec les techniques de fabrication industrielle des grandes fonderies microelectroniques afin de permettre une future production a grand echelle des circuits photoniques quantiques.