La dissertation explore differentes applications des fibres optiques en ingenierie quantique. Deux thematiques sont developpees : d'une part l'utilisation des fibres optiques monomodales en silice pour l'implementation d'algorithmes et de protocoles de communication quantiques et d'autre part l'utilisation de la non-linearite de ces fibres pour realiser des sources de paires de photons correles. L'etude est a la fois theorique et experimentale./ The dissertation explores various uses of optical fibers for quantum engineering. Two topics are developed : first the use of single-mode silica fibers for implementing quantum algorithms and communication protocols, second the use of these fibers for generating correlated photon-pairs.
La dissertation explore differentes applications des fibres optiques en ingenierie quantique. Deux thematiques sont developpees : d'une part l'utilisation des fibres optiques monomodales en silice pour l'implementation d'algorithmes et de protocoles de communication quantiques et d'autre part l'utilisation de la non-linearite de ces fibres pour realiser des sources de paires de photons correles. L'etude est a la fois theorique et experimentale./ The dissertation explores various uses of optical fibers for quantum engineering. Two topics are developed : first the use of single-mode silica fibers for implementing quantum algorithms and communication protocols, second the use of these fibers for generating correlated photon-pairs.
Ce m´emoire presente la demarche entreprise pour la conception et la caracterisation d’une source de photons annonces generes par une fibre microstructuree. L’objectif du projet n’est pas seulement de realiser une source de photons annonces, mais egalement de proceder a la
validation du caractere quantique de la source. Differentes avenues permettent d’obtenir une source de photons et sont passees en revue. La methode proposee ici exploite un mecanisme de conversion de signaux en optique non-lineaire, le melange a quatre ondes, pour la production de paires de photons. Un de ces photons est utilise pour generer un signal annoncant la presence de l’autre photon. Les phenomenes en optique non-lineaire demandent une connaissance appropriee des proprietes de guidage de la fibre. Une implementation de la m´ethode des elements finis a permis d’extraire, a partir du profil d’indice transverse de la fibre, les diverses grandeurs physiques reliees au processus de conversion. Les informations obtenues
ainsi que les calculs preliminaires presentes viennent supporter notre d´emarche experimentale. Le design de la source et les etapes menant a sa realisation sont expliques en detail et accompagnes des resultats preliminaires. Enfin, le document regroupe l’analyse des differents
resultats experimentaux attestant du caractere non classique de la source. La source obtenue est une source de photons annonces accordable en debit. Ce type de source peut trouver des applications en information et en telecommunication quantique.----------Abstract This thesis reports the development and the characterization of a heralded single-photons source using a microstructured fibre. The objective of the project is not only to assemble the source but also to demonstrate its quantum properties. There are several ways of obtaining an heralded single photon source. The method suggested herein is therefore compared to various others found in the literature. Our source takes advantage of pairs of photons generated
in a microstructured fibre via an optical non-linear process known as four-wave mixing. One photon of the generated pair is used to attest the presence of the other. Mastering such non-linear processes in waveguides requires a good knowledge of the waveguide dispersion properties. Given the index profile of a microstructured fibre, an automated numerical approach, involving the finite-element method, enabled us to extract the values of important
physical parameters. Theoretical development and calculations used to support the design of our source are presented as well as preliminary results. The analysis of the various experimental data confirm the non-classical nature of the source for different power regimes.
Hence, a heralded single-photon source with a tunable production rate has been realised. Such a source is useful for quantum communication and quantum information applications.
Cette thèse traite du développement de deux sources de paires de photons intriqués pour des applications de communication et cryptographie quantiques. La première est une source fibrée “plug-and-play" de haute efficacité permettant de générer de l'intrication en énergie-temps et en polarisation dans la bande des télécoms pour des applications de cryptographie quantique dans des réseaux à fibre optique et à segment spatial. La seconde est une source générant de l'intrication sur la base des états de Fock dans le but de mettre en oeuvre un protocole de cryptographie quantique, reposant sur l'intrication, et indépendant du matériel employé. La première partie de ce manuscrit introduit les bases de la communication classique et des protocoles de sécurité actuels, avant de présenter la cryptographie quantique comme alternative. Elle développe les concepts fondamentaux sur lesquels est basée la sécurité de ces protocoles ainsi que les limitations inhérentes aux réseaux déployés, notamment en termes de distance. Deux solutions sont présentées pour les outrepasser : l'utilisation de répéteurs quantiques et la propagation en espace libre par voie spatiale. Les contraintes associées à ces approches sont également discutées. Sont détaillées par la suite la conception et la caractérisation d'une source de paires de photons intriqués, répondant aux exigences des réseaux à fibre optique et à segment spatial, et permettant un encodage de l'information sur plusieurs observables. À ce titre, sont discutées les différentes observables, le montage expérimental permettant leur mise en oeuvre ainsi que les contraintes découlant des spécifications mentionnées. À partir de celles-ci, une architecture finale est définie, et la caractérisation complète de cette source est présentée. La source est intégrée au réseau de cryptographie quantique Quantum@UniCA, au sein duquel elle est testée en conditions réelles pour ses performances en termes de taux de clefs et d'erreurs sur les deux observables d'encodage. En complément, des mesures en espace libre sont présentées afin d'ouvrir la voie à des liaisons quantiques satellites-sol. La seconde partie de ces travaux présente une autre source pour un nouveau type de protocole, appelé “Device-independant" ou DI, qui permet de s'affranchir du besoin de caractériser les systèmes utilisés pour l'échange de clef. Ces protocoles sont fondamentaux car ils permettent de résoudre l'une des limitations de la cryptographie quantique : l'imperfection de l'implémentation expérimentale. Cette partie présente donc le contexte et les enjeux de ce type de protocoles ainsi que les différentes étapes de ceux-ci. Elle met en évidence les points communs et les différences entre les protocoles utilisés dans la première partie et celui-ci et détaille le design de l'expérience retenue pour essayer d'aboutir à la première réalisation expérimentale d'un protocole de DI-QKD photonique.
Les sources de paires de photons corrélés sont des composants clés nécessaires aux réseaux de télécommunications quantiques. Réaliser directement ces sources à partir de fibres optiques permet de minimiser les pertes d'insertion. Nous proposons de concevoir une telle source à partir d'une fibre optique étirée. La fibre étirée possède un diamètre pouvant descendre à moins de 500 nm sur une longueur de quelques centimètres. Le faible diamètre de la section étirée favorise les effets non linéaires, tandis que les sections non étirées permettent de connecter avec de très faibles pertes cette fibre étirée avec les fibres des réseaux de télécommunication.Dans cette thèse, nous présentons donc une conception d’une nouvelle source de photons corrélés totalement fibrée à base de fibres standard de télécommunications (SMF28) étirées. Pour produire ces paires de photons nous utiliserons la fluorescence paramétrique due à la brisure de symétrie à la surface de la nanofibre en silice.Nous avons développé une technique de mesure par microscopie optique, qui permet de mesurer tout le profil de la fibre étirée avec une résolution nanométrique bien au-delà de la limite de diffraction.En parallèle, nous avons modélisé la susceptibilité non linéaire de surface de second ordre en prenant en compte l’aspect vectoriel de la propagation du champ optique dans une microfibre à deux ou trois couches. Dans un second temps, nous définissons les accords de phase modaux qui sont nécessaires pour l’obtention d’une forte fluorescence paramétrique. Nous dimensionnons cette nanofibre pour une bonne optimisation de l’efficacité de génération des paires. L'ensemble du processus de création de photons sera modélisé.
AlGaAs quantum photonics : from device engineering to quantum information protocols La photonique quantique intégrée est l'une des principales approches pour la réalisation de technologies quantiques versatiles et flexibles. Les applications les plus notables vont du calcul quantique et la simulation quantiques aux communications sécurisées. Dans cette thèse, nous relevons certains des défis actuels de la photonique quantique intégrée avec l'aide de la plate-forme AlGaAs. Grâce à sa non-linéarite optique du second ordre, son haut indice de réfraction et son important coefficient électro-optique, ce matériau est particulièrement adapté à la génération et la manipulation sur puce de paires de photons intriqués à température ambiante et aux longueurs d'onde télécom. Ce travail de thèse est divisé en deux axes de recherches parallèles : d'une part l'intégration monolithique de nouvelles fonctionnalités sur une puce photonique quantique AlGaAs et d'autre part l'application des sources AlGaAs de photons intriqués aux communications quantiques. Dans le premier projet, nous avons commencé par montrer l'intégration monolithique d'une ligne à retard électro-optique avec une source SPDC AlGaAs de paires de photons. La ligne à retard présente une tension pi/2 de 9 V, ce qui permet de contrôler l'état des photons directement sur la puce en utilisant des composants électroniques standards. En outre, nous sommes parvenus à intégrer un séparateur de polarisation large-bande avec une source AlGaAs sur une même puce monolithique. Ce dispositif a permis de montrer une séparation efficace des polarisation avec un taux de séparation excédant les 90 % sur une bande spectrale de 45 nm. Nous avons caractérisé l'indiscernabilité spectrale des photons intriqués à la sortie du séparateur de polarisation en réalisant une interférométrie Hong-Ou-Mandel. Nous avons mesuré une visibilité de 80 %, intrinsèquement limitée par la biréfringence de la source, ce qui montre que nous parvenons à séparer de manière déterministe les paires de photons directement sur puce sans altérer leur état quantique. Dans le second projet, nous exploitons la haute qualité et large bande spectral de l'état intriqué en polarisation généré par notre source SPDC AlGaAs pour construire un réseau de communication quantique reconfigurable. Nous avons tout d'abord montré la haute qualité de l'intrication en mesurant une fidélité à un état de Bell de plus de 95 % sur une bande spectrale de 26 nm. Nous avons ensuite combiné notre source avec des techniques de multiplexage flexible en longueur d'onde issues de l'industrie télécom afin de démontrer la distribution d'intrication dans un réseau reconfigurable comprenant jusqu'à 8 utilisateurs. Nous avons appliqué notre architecture à la distribution de clé quantique en montrant un faible taux d'erreurs et un haut taux de clé secrète sur une multitude de canaux fréquentiels en incluant les effets de taille finie, le tout à travers des lien fibrés à l'échelle métropolitaine. Enfin, nous avons illustré la flexibilité de notre architecture en adaptant l'allocation de bande passante à certaines contraintes du réseau telles que le déséquilibre entre les distances des liens inter-utilistateurs. L'ensemble de ces résultats montre le potentiel de la plateforme AlGaAs pour l'implémentation de technologies quantiques versatiles ainsi que leur intégration dans les futurs réseaux quantiques à grande échelle.
Ressources photoniques pour l'implémentation de protocoles de réseaux quantiques La sécurité des réseaux modernes de communication peut être renforcée grâce aux lois de la mécanique quantique. Dans cette thèse, nous développons une source de paires de photons que nous utilisons pour implémenter de nouvelles primitives cryptographiques. Les paires sont utilisées comme des photons uniques annoncés ou des paires intriquées. Nous proposons une méthode afin d'adapter cette source à la génération d'états intriqués multipartites. Nous démontrons la première implémentation d’un tirage à pile-ou-face faible quantique. Il permet à deux joueurs distants de décider d'un gagnant aléatoire. Nous démontrons une version retravaillée et tolérante aux pertes d'un protocole théorique récemment proposé, en utilisant des photons uniques annoncés. Ce protocole est sensible à la triche grâce à une interférence quantique et un commutateur optique rapide. Enfin, nous fournissons un nouveau protocole pour certifier la transmission d'un qubit non-mesuré à travers un canal non-fiable présentant des pertes. Nous testons le canal indépendamment du système de mesure, en utilisant la technique de self-testing des inégalités de Bell ou de steering, grâce à l’utilisation de paires de photons intriqués en polarisation pour sonder le canal. Nous montrons qu'il permet la certification de communications quantiques malgré les pertes induites par le canal.
Les sources de paires de photons corrélés sont des composants clés nécessaires aux réseaux de télécommunications quantiques. Réaliser directement ces sources à partir de fibres optiques permet de minimiser les pertes d'insertion. Nous proposons de concevoir une telle source à partir d'une fibre optique étirée. La fibre étirée possède un diamètre pouvant descendre à moins de 500 nm sur une longueur de quelques centimètres. Le faible diamètre de la section étirée favorise les effets non linéaires, tandis que les sections non étirées permettent de connecter avec de très faibles pertes cette fibre étirée avec les fibres des réseaux de télécommunication.Dans cette thèse, nous présentons donc une conception d’une nouvelle source de photons corrélés totalement fibrée à base de fibres standard de télécommunications (SMF28) étirées. Pour produire ces paires de photons nous utiliserons la fluorescence paramétrique due à la brisure de symétrie à la surface de la nanofibre en silice.Nous avons développé une technique de mesure par microscopie optique, qui permet de mesurer tout le profil de la fibre étirée avec une résolution nanométrique bien au-delà de la limite de diffraction.En parallèle, nous avons modélisé la susceptibilité non linéaire de surface de second ordre en prenant en compte l’aspect vectoriel de la propagation du champ optique dans une microfibre à deux ou trois couches. Dans un second temps, nous définissons les accords de phase modaux qui sont nécessaires pour l’obtention d’une forte fluorescence paramétrique. Nous dimensionnons cette nanofibre pour une bonne optimisation de l’efficacité de génération des paires. L'ensemble du processus de création de photons sera modélisé.