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.
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.
Une technique couramment employée pour développer les sources de paires de photons corrélés indispensables au domaine des télécommunications quantiques repose sur le processus non linéaire de mélange à quatre ondes, qui peut avoir lieu directement dans le cœur d’une fibre optique. Cette architecture fibrée permet de s’adapter au mieux aux besoins des réseaux de communications quantiques (en particulier en minimisant les pertes par couplage lors de la connexion de la source aux autres composants du réseau). L’utilisation d’une fibre microstructurée plutôt que d’une fibre de silice conventionnelle permet d’ajuster les propriétés de dispersion de la fibre et d’optimiser l’efficacité du processus non linéaire. Cependant, les sources fibrées usuelles, à cœur de silice, présentent une limitation majeure : leur pureté quantique est fortement dégradée par la diffusion Raman spontanée, qui survient elle aussi dans le cœur en silice de la fibre. Pour s’affranchir de ce problème, notre idée est de remplacer le cœur en silice par un cœur liquide, en utilisant une fibre microstructurée à cœur creux rempli d’un liquide non linéaire. Nos recherches nous ont ainsi conduits à faire la première démonstration expérimentale de génération de paires de photons corrélés dans une fibre à cœur liquide, et à montrer que, grâce aux propriétés Raman particulières des liquides (dont le spectre Raman se présente en général sous la forme de raies très fines), il était possible de réduire de plusieurs ordres de grandeur le niveau de diffusion Raman spontanée dans la source. Ce travail ouvre donc la voie au développement de sources de paires de photons corrélés fibrées de très haute qualité quantique.
Une technique couramment employée pour développer les sources de paires de photons corrélés indispensables au domaine des télécommunications quantiques repose sur le processus non linéaire de mélange à quatre ondes, qui peut avoir lieu directement dans le cœur d’une fibre optique. Cette architecture fibrée permet de s’adapter au mieux aux besoins des réseaux de communications quantiques (en particulier en minimisant les pertes par couplage lors de la connexion de la source aux autres composants du réseau). L’utilisation d’une fibre microstructurée plutôt que d’une fibre de silice conventionnelle permet d’ajuster les propriétés de dispersion de la fibre et d’optimiser l’efficacité du processus non linéaire. Cependant, les sources fibrées usuelles, à cœur de silice, présentent une limitation majeure : leur pureté quantique est fortement dégradée par la diffusion Raman spontanée, qui survient elle aussi dans le cœur en silice de la fibre. Pour s’affranchir de ce problème, notre idée est de remplacer le cœur en silice par un cœur liquide, en utilisant une fibre microstructurée à cœur creux rempli d’un liquide non linéaire. Nos recherches nous ont ainsi conduits à faire la première démonstration expérimentale de génération de paires de photons corrélés dans une fibre à cœur liquide, et à montrer que, grâce aux propriétés Raman particulières des liquides (dont le spectre Raman se présente en général sous la forme de raies très fines), il était possible de réduire de plusieurs ordres de grandeur le niveau de diffusion Raman spontanée dans la source. Ce travail ouvre donc la voie au développement de sources de paires de photons corrélés fibrées de très haute qualité quantique.
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.
Emission de lumière non-classique par des cavités à cristaux photoniques La photonique quantique intégrée promet d'amener l'optique quantique vers un dispositif pratique. L'objectif principal de ce domaine est d'atteindre une intégration évolutive pour diverses applications, notamment l'informatique quantique, la simulation, la communication et la détection. Dans un circuit quantique, des photons, qui portent l'état quantique, sont générés, manipulés à l'aide de composants linéaires et non linéaires, puis détectés. L'objectif de cette étude doctorale est de contribuer au développement de sources de lumière non classique efficaces et évolutives, pour la génération d'intrication, de photons uniques et d'états comprimés. À cette fin, nous introduisons une nouvelle classe de sources basée sur des résonateurs à cristaux photoniques (PhC) et nous démontrons des performances à l'état de l'art en termes d'efficacité et de « footprint ». Les cavités PhC ont été envisagées pour l'optique quantique sans toutefois atteindre des performances suffisantes. Par conséquent, les micro-disques et anneaux ont été couramment utilisés comme sources pour la photonique quantique intégrée.Encouragés par la démonstration des premières oscillations paramétriques optiques (OPO) utilisant une cavité à cristaux photoniques, nous avons exploré l'application potentielle de cette technologie dans le domaine de l'optique quantique. En dessous du seuil, l'OPO génère des paires de photons corrélées grâce à un processus paramétrique spontané, en particulier le mélange à quatre ondes spontané. Les OPO sont couramment utilisés pour générer des paires de photons intriqués et des états « squeezés ». Il est crucial que la cavité contienne trois modes equi-espacés qui correspondent aux fréquences des photons en interaction, car cela garantit une efficacité maximale.Deux géométries de cavités à cristaux photoniques ont été considérées : Nanobeam et Bichromatic, toutes deux constituées de phosphure d'indium-gallium. Le principal résultat est la génération ultra-efficace de paires de photons corrélés dans le temps. Cela confirme nos attentes fondées sur le seuil ultra-bas de l'OPO. En tenant compte de l'état de l'art, nous montrons que l'efficacité est proportionnelle au volume d'interaction dans la cavité. Par conséquent, l'origine de l'efficacité très élevée réside dans le volume très réduit des cavités à cristaux photoniques. De plus, cela implique également une « footprint » réduite sur la puce, ce qui favorise la « scalabilité ». Nous avons ensuite caractérisé davantage les propriétés des photons générés, notamment l'intrication temps-énergie, l'émission de photons uniques annoncés et l'émission de paires de photons en régime pulsé, une étape essentielle vers la démonstration de l'intrication dit « time-bin ». De plus, des étapes préliminaires ont été entreprises pour générer des états comprimés à deux modes. En outre, nous avons également étudié la dynamique classique au-dessus du seuil OPO en échantillonnant son espace de paramètres grâce à des mesures effectuées sur un grand nombre de dispositifs. Cela nous a permis d'établir une condition pour le fonctionnement de l'OPO, en accord avec un modèle mettant en avant le rôle limitant de l'absorption non linéaire. Nous avons également mis en évidence des instabilités potentielles dans le fonctionnement de l'OPO. Enfin, nous avons commencé à aborder la question de la « scalabilité » en réalisant une analyse statistique sur plus de 650 cavités afin d'étudier l'impact des tolérances de fabrication.Ainsi, nous avons démontré des sources quantiques à base de cavités à cristaux photoniques avec un niveau exceptionnel d'efficacité. Cela suggère une nouvelle approche prometteuse pour le développement de sources évolutives au sein des circuits quantiques intégrés.
Les sources de paires de photons constituent un élément clé pour le développement des technologies quantiques, notamment dans les domaines de la communication, de la métrologie et du calcul quantique. Parmi les différentes plateformes existantes, l’utilisation de fibres creuses à couplage inhibé présente des avantages tout à fait uniques. Ainsi, cette approche permet une génération exempte de diffusion Raman, un contrôle précis de l’intrication et une intégration aisée dans les infrastructures de télécommunications, tout en offrant une grande flexibilité pour l’ingénierie des propriétés spectrales et spatiales des photons générés. Dans ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés à l’optimisation de la génération de paires de photons basée sur le mélange à quatre ondes dans des fibres creuses remplies de gaz xénon. En particulier, deux stratégies complémentaires ont été développées. La première a consisté à travailler sur les paramètres du laser pompe en réduisant la durée de l’impulsion initiale par un système de compression solitonique ou encore en augmentant le taux de répétition à une cadence GHz. Ces deux voies ont été menées en s’appuyant sur des collaborations au plan national et ont permis d’améliorer la brillance de plus de deux ordres de grandeur par rapport aux travaux antérieurs et d’atteindre une brillance de l’ordre du MHz. La seconde voie a porté sur une ingénierie fine des paramètres géométriques et des performances de guidage des fibres creuses en y intégrant la conception et la fabrication d’une nouvelle structure. Cette approche a permis d’optimiser les conditions d’accord de phase et d’améliorer l’efficacité de génération de plus de deux ordres de grandeur, atteignant ainsi des valeurs de l’ordre de 103 photons/s/mW2. Enfin, la recherche de compromis entre qualité des corrélations et brillance a permis de démontrer un rapport coïncidences/accidentelles record de 10000. Finalement, l’ensemble de ces résultats confirme le potentiel des fibres creuses fonctionnalisées pour le développement et l’intégration de sources de paires de photons performantes dans les futurs systèmes de communication quantique.
Une technique couramment employée pour développer les sources de paires de photons corrélés indispensables au domaine des télécommunications quantiques repose sur le processus non linéaire de mélange à quatre ondes, qui peut avoir lieu directement dans le cœur d’une fibre optique. Cette architecture fibrée permet de s’adapter au mieux aux besoins des réseaux de communications quantiques (en particulier en minimisant les pertes par couplage lors de la connexion de la source aux autres composants du réseau). L’utilisation d’une fibre microstructurée plutôt que d’une fibre de silice conventionnelle permet d’ajuster les propriétés de dispersion de la fibre et d’optimiser l’efficacité du processus non linéaire. Cependant, les sources fibrées usuelles, à cœur de silice, présentent une limitation majeure : leur pureté quantique est fortement dégradée par la diffusion Raman spontanée, qui survient elle aussi dans le cœur en silice de la fibre. Pour s’affranchir de ce problème, notre idée est de remplacer le cœur en silice par un cœur liquide, en utilisant une fibre microstructurée à cœur creux rempli d’un liquide non linéaire. Nos recherches nous ont ainsi conduits à faire la première démonstration expérimentale de génération de paires de photons corrélés dans une fibre à cœur liquide, et à montrer que, grâce aux propriétés Raman particulières des liquides (dont le spectre Raman se présente en général sous la forme de raies très fines), il était possible de réduire de plusieurs ordres de grandeur le niveau de diffusion Raman spontanée dans la source. Ce travail ouvre donc la voie au développement de sources de paires de photons corrélés fibrées de très haute qualité quantique.