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Relais quantique intégré sur niobate de lithium

Anthony Martin, Daniel B. Ostrowsky, Marc de Micheli, Olivier Alibart, Sébastien Tanzilli

Published Mar 23, 2011• 0 citations
OpenAlex

Abstract

L'augmentation des distances de communication quantique passe par le développement de nouvelles sources de photons uniques et de paires de photons intriqués de plus en plus efficaces et émettant aux longueurs d'ondes des télécommunications. Ceci permet la transmission des photons à l'aide de fibres optiques avec un minimum de pertes à la propagation. Un deuxième élément clef pour l'augmentation des distances de communication est l'amélioration des détecteurs de photons uniques afin d'en réduire le bruit des détecteurs et d'augmenter leur efficacité. Actuellement, avec les technologies disponibles, les dis- tances maximales réalisables, avec une simple source de photons uniques, sont d'environ une centaine de kilo- mètres. L'utilisation de relais quantiques, basés sur le principe de téléportation d'état, permet d'améliorer le rapport signal sur bruit par l'augmentation du nombre de détecteurs. Ainsi, on peut acheminer de l'information sur de plus grandes distances, au détriment du signal. Pour réaliser un tel relai, nous avons besoin d'une source de paires de photons intriqués et d'un coupleur 50/50, comme le montre la FIG. 1. Pour cela nous pro- posons d'exploiter la technologie de l'optique intégrée permettant la réalisation d'une puce optique sur niobate de lithium autorisant la fonction relai quantique. Comme le montre la FIG. 2, une zone périodiquement polarisée suivit d'un coupleur 50/50 permet de générer les paires de photons intriqués. Puis, un deuxième coupleur 50/50 permet d'effectuer la mesure d'état de Bell. Cette puce présente l'avantage d'être très compacte (~5 cm), stable et facilement intégrable au sein d'un réseau de communication fibré, comme on peut le faire actuellement avec des commutateurs standards intégrés sur niobate de lithium. Nous montrerons les caractérisations classiques de la puce en ce qui concerne la génération de fluorescence paramétrique et le contrôle électro-optique des coupleurs. Par ailleurs, nous discuterons les premiers résultats relatifs à l'obtention d'une interférence à deux photons de type HOM au niveau du deuxième coupleur. Ces résultats prometteurs confirment la pertinence de notre approche.

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Puces photoniques pour la communication quantique longue distance.

Anthony Martin

Cette thèse présente l'étude et la réalisation de différents éléments clés pour la communication quantique longue distance. Pour cela, nous tirons parti de l'optique intégré sur de niobate de lithium, qui permet de mettre en exergue les propriétés non-linéaire de ce matériau. Après une brève introduction sur l'information quantique nous permettant de mettre en avant les enjeux actuels du domaine, nous nous intéressons à la réalisation de trois sources de paires de photons intriqués sur les observables polarisation (2) et time-bin (1), émettant aux longueurs d'onde des télécommunications. Ces réalisations font parties des meilleures sources actuelles aussi bien en terme de brillance que de qualité d'intrication mesurée, le tout alliant compacité et simplicité d'utilisation. Dans un second temps, nous présentons l'élaboration et la mise en oeuvre d'un relais quantique entièrement intégré. Pour cette réalisation, nous avons mergé au sein d'un même composant, pour la première fois, deux effets non-linéaires, l'un optique-optique pour la génération de paires de photons intriqués, et l'autre électro-optique pour le routage contrôlablé des photons. Une expérience d'interférence à deux photons entre un photon émis par la puce et un photon issu d'une source externe nous a permis de valider notre approche en obtenant une visibilité de 79% en accord avec les prédictions théoriques. Cette puce peut devenir un élément clé de la communication quantique car il permet d'accroître les distances de communication par un facteur 1.8.

•Jan 1, 2011•0 citations

Photonic chips for long distance quantum communication

Anthony Martin, Marc de Micheli, Sébastien Tanzilli

Cette thèse présente l'étude et la réalisation de différents éléments clés pour la communication quantique longue distance. Pour cela, nous tirons parti de l'optique intégré sur niobate de lithium, qui permet de mettre en exergue les propriétés non-linéaires de ce matériau. Après une brève introduction sur l'information quantique, nous permettant de mettre en avant les enjeux actuels du domaine, nous nous intéressons à la réalisation de trois sources de paires de photons intriqués sur les observables polarisation (2) et time-bin (1), émettant aux longueurs d'onde des télécommunications. Ces réalisations font partie des meilleures sources actuelles aussi bien en termes de brillance que de qualité d'intrication mesurée, le tout alliant compacité et simplicité d'utilisation. Dans un second temps, nous présentons l'élaboration et la mise en oeuvre d'un relais quantique entièrement intégré dédié à l'augmentation des distances de communication. Pour ce faire, nous avons mergé au sein d'un même composant, et ce pour la première fois, deux effets non-linéaires, l'un optique-optique pour la génération de paires de photons intriqués, et l'autre électro-optique pour le routage contrôlable des photons. Une expérience d'interférence à deux photons entre un photon émis par la puce et un photon issu d'une source externe nous a permis de valider notre approche en obtenant une visibilité d'interférence de 79%, en parfait accord avec les prédictions théoriques. Cette puce peut devenir un élément clé de la communication quantique car elle permet d'accroître les distances de communication par un facteur 1.8.

•Jan 1, 2011•0 citations

Optique guidée pour la communication quantique sur longue distance

Sébastien Tanzilli

Les guides optiques intégrés sur du niobate de lithium polarisé périodiquement (guides PPLN), associés aux composants télécoms standards, constituent aujourd'hui l'une des principales ressources technologiques pour les expériences de communication quantique fibrées. En effet, la structure guidante offre à la fois un bon couplage avec les fibres optiques et un fort confinement des ondes pour l'obtention d'effets non linéaires exacerbés. D'une part, le régime de conversion paramétrique a permis l'obtention de sources de paires de photons intriqués ultra-efficaces et utiles aux protocoles de cryptographie quantique, mais aussi de téléportation et permutation d'intrication qui sont à la base des relais quantiques. D'autre part, le régime de génération de fréquence somme entre un laser de pompe et un photon télécom a ouvert une nouvelle voie pour la détection infrarouge, ainsi que pour le couplage entre lignes de distribution d'information quantique et mémoires quantiques atomiques opérant dans le visible. Dans ce cadre, nous introduirons les relais quantiques employés pour étendre la portée des réseaux de communication quantique. Nous détaillerons deux expériences menées au laboratoire, l'une consistant en un relais dans la configuration de permutation d'intrication, et l'autre sous la forme d'une "puce relais" dédiée au protocole de téléportation via l'intégration de plusieurs fonctions telles qu'un générateur de paires de photons et coupleurs directionnels à contrôle électro-optique.

•May 10, 2010•0 citations

Integrated quantum photonics for quantum applications

Xin Hua

Photonique quantique intégrée pour les applications quantiques Cette thèse porte sur la réalisation d’un composant pour la communication quantique à base d’optique intégrée sur niobate de lithium. Nous avons exploité simultanément les propriétés optiques non linéaire et électro-optique du niobate pour générer les états à deux photons configurables et annoncés. En utilisant un laser de pompe en régime picoseconde et des composants issus des technologies des télécommunications, nous avons démontré la capacité à produire divers états à deux photons codés en chemin, montrant 94% de visibilité brute pour l'interférence de type Hong-Ou-Mandel (HOM). La polyvalence et les performances d'une telle source d'intrication photonique aussi fortement intégrée permettent d'explorer des protocoles de traitement de l'information quantique plus complexes trouvant des applications dans les tâches de communication et de métrologie quantiques. Pour permettre l'interférence à deux photons sur la puce, la synchronisation préalable de deux impulsions de pompe à l’entrée de la puce est cruciale. Inspiré par l'expérience des doubles fentes de Young, nous avons synchronisé deux impulsions avec une précision de 100 µm en étudiant le contraste des franges d'interférence lors de la variation du retard relatif de ces impulsions. À l'aide d'un auto-corrélateur et d’un spectromètre, le produit temps-fréquence des impulsions de la pompe a été caractérisé avec précision, puis nous avons identifié la taille des filtres requis pour obtenir des états purs à 99%. La visibilité de l'interférence à deux photons étant liée à la puissance de la pompe, une étude théorique visant à déterminer le niveau de puissance approprié de la pompe a également été réalisée. Enfin, la capacité à générer un état intriqué à deux photons de haute qualité a été démontrée par une mesure de coïncidence quadruple reposant sur des détecteurs supraconducteurs de photons uniques (SNSPD) et un convertisseur temps-numérique programmable. Durant cette thèse, les SNSPDs ont été calibrés, puis un algorithme de comptage logique basé sur Labview a été développé, afin d'enregistrer efficacement et précisément les coïncidences quadruples pour les états N00N et états produits.

•Mar 29, 2021•0 citations

Optique Intégrée pour les Communications Quantiques

Sébastien Tanzilli

Ce mémoire présente l'étude et la réalisation expérimentale de deux sources de paires de photons, intriqués en énergie-temps et en « time-bins », basées sur un guide d'ondes intégré sur un substrat de niobate de lithium polarisé périodiquement (PPLN). Dans les deux cas, les photons jumeaux sont créés par génération paramétrique à la longueur d'onde dégénérée de 1310 nm autorisant leur transport par fibre optique télécom. Le guide PPLN montre une efficacité de conversion supérieure à 10-6, correspondant à une amélioration de 4 ordres de grandeur par rapport aux générateurs massifs. Même pompé par de faibles puissances, il présente une probabilité significative de créer deux paires simultanément ce qui est un avantage essentiel pour certains protocoles de communication quantique. Nous proposons à cet effet deux méthodes de caractérisation de la probabilité de créer une paire par photon de pompe (régime continu) ou par impulsion laser. Afin d'examiner la qualité des états enchevêtrés, deux expériences d'interférométrie ont montré des taux de contraste respectifs de 97 % et de 84 % pour les intrications en énergie-temps et en time-bins. Bien que ce dernier taux puisse être amélioré, ces résultats montrent le fort potentiel des guides PPLN pour devenir l'un des éléments clés des futurs protocoles de communication quantique.

•Feb 22, 2002•1 citation

Synchronisation toute optique d’un réseau de communication quantique

Bin Ngah, Lufti Arif

Ce manuscrit expose le developpement de ressources fondamentales pour les communications quantiques a longues distances basees sur les technologies des fibres optiques telecoms et des guides d'onde optiques non lineaires. Apres une introduction generale sur les communications quantiques, cette these est structuree en trois parties principales. La premiere partie illustre le developpement de deux sources pour la generation de paires de photons intriques en polarisation et emis a une longueur d'onde telecom via conversion parametrique spontanee (SPDC) dans des guides d'ondes non lineaires integres sur niobate de lithium periodiquement polarise. Les sources s'appuient respectivement sur un accord de phase de type-II et un accord de phase de type-0 et sur des solutions de filtrage et d'interferometrie mises en place apres le cristal non lineaire. Dans la seconde partie, sont discutees les realisations de deux sources de photons uniques annonces haut debit. La premiere s'appuie sur le multiplexage spatial sur puce de photons uniques annonces. La seconde exploite le multiplexage temporel passif grâce a l'utilisation d'un laser telecom cadence a 10 GHz. Enfin, nous presentons une approche tout-optique visant la synchronisation de sources distantes de paires de photons intriques, agencees selon une architecture de type relais quantique distribue. Cette technique innovante repose sur l'utilisation d'un laser telecom impulsionnel en tant qu'horloge optique de reference. Cette horloge autorise la synchronisation de l'emission de paires de photons dans la bande C des telecoms en deux lieux distants. Des resultats preliminaires d'interference a deux photons sont montres et discutes.

•Dec 11, 2015•0 citations
L'augmentation des distances de communication quantique passe par le développement de nouvelles sources de photons uniques et de paires de photons intriqués de plus en plus efficaces et émettant aux longueurs d'ondes des télécommunications. Ceci permet la transmission des photons à l'aide de fibres optiques avec un minimum de pertes à la propagation. Un deuxième élément clef pour l'augmentation des distances de communication est l'amélioration des détecteurs de photons uniques afin d'en réduire le bruit des détecteurs et d'augmenter leur efficacité. Actuellement, avec les technologies disponibles, les dis- tances maximales réalisables, avec une simple source de photons uniques, sont d'environ une centaine de kilo- mètres. L'utilisation de relais quantiques, basés sur le principe de téléportation d'état, permet d'améliorer le rapport signal sur bruit par l'augmentation du nombre de détecteurs. Ainsi, on peut acheminer de l'information sur de plus grandes distances, au détriment du signal. Pour réaliser un tel relai, nous avons besoin d'une source de paires de photons intriqués et d'un coupleur 50/50, comme le montre la FIG. 1. Pour cela nous pro- posons d'exploiter la technologie de l'optique intégrée permettant la réalisation d'une puce optique sur niobate de lithium autorisant la fonction relai quantique. Comme le montre la FIG. 2, une zone périodiquement polarisée suivit d'un coupleur 50/50 permet de générer les paires de photons intriqués. Puis, un deuxième coupleur 50/50 permet d'effectuer la mesure d'état de Bell. Cette puce présente l'avantage d'être très compacte (~5 cm), stable et facilement intégrable au sein d'un réseau de communication fibré, comme on peut le faire actuellement avec des commutateurs standards intégrés sur niobate de lithium. Nous montrerons les caractérisations classiques de la puce en ce qui concerne la génération de fluorescence paramétrique et le contrôle électro-optique des coupleurs. Par ailleurs, nous discuterons les premiers résultats relatifs à l'obtention d'une interférence à deux photons de type HOM au niveau du deuxième coupleur. Ces résultats prometteurs confirment la pertinence de notre approche.
Cette thèse présente l'étude et la réalisation de différents éléments clés pour la communication quantique longue distance. Pour cela, nous tirons parti de l'optique intégré sur de niobate de lithium, qui permet de mettre en exergue les propriétés non-linéaire de ce matériau. Après une brève introduction sur l'information quantique nous permettant de mettre en avant les enjeux actuels du domaine, nous nous intéressons à la réalisation de trois sources de paires de photons intriqués sur les observables polarisation (2) et time-bin (1), émettant aux longueurs d'onde des télécommunications. Ces réalisations font parties des meilleures sources actuelles aussi bien en terme de brillance que de qualité d'intrication mesurée, le tout alliant compacité et simplicité d'utilisation. Dans un second temps, nous présentons l'élaboration et la mise en oeuvre d'un relais quantique entièrement intégré. Pour cette réalisation, nous avons mergé au sein d'un même composant, pour la première fois, deux effets non-linéaires, l'un optique-optique pour la génération de paires de photons intriqués, et l'autre électro-optique pour le routage contrôlablé des photons. Une expérience d'interférence à deux photons entre un photon émis par la puce et un photon issu d'une source externe nous a permis de valider notre approche en obtenant une visibilité de 79% en accord avec les prédictions théoriques. Cette puce peut devenir un élément clé de la communication quantique car il permet d'accroître les distances de communication par un facteur 1.8.
Cette thèse présente l'étude et la réalisation de différents éléments clés pour la communication quantique longue distance. Pour cela, nous tirons parti de l'optique intégré sur niobate de lithium, qui permet de mettre en exergue les propriétés non-linéaires de ce matériau. Après une brève introduction sur l'information quantique, nous permettant de mettre en avant les enjeux actuels du domaine, nous nous intéressons à la réalisation de trois sources de paires de photons intriqués sur les observables polarisation (2) et time-bin (1), émettant aux longueurs d'onde des télécommunications. Ces réalisations font partie des meilleures sources actuelles aussi bien en termes de brillance que de qualité d'intrication mesurée, le tout alliant compacité et simplicité d'utilisation. Dans un second temps, nous présentons l'élaboration et la mise en oeuvre d'un relais quantique entièrement intégré dédié à l'augmentation des distances de communication. Pour ce faire, nous avons mergé au sein d'un même composant, et ce pour la première fois, deux effets non-linéaires, l'un optique-optique pour la génération de paires de photons intriqués, et l'autre électro-optique pour le routage contrôlable des photons. Une expérience d'interférence à deux photons entre un photon émis par la puce et un photon issu d'une source externe nous a permis de valider notre approche en obtenant une visibilité d'interférence de 79%, en parfait accord avec les prédictions théoriques. Cette puce peut devenir un élément clé de la communication quantique car elle permet d'accroître les distances de communication par un facteur 1.8.
Les guides optiques intégrés sur du niobate de lithium polarisé périodiquement (guides PPLN), associés aux composants télécoms standards, constituent aujourd'hui l'une des principales ressources technologiques pour les expériences de communication quantique fibrées. En effet, la structure guidante offre à la fois un bon couplage avec les fibres optiques et un fort confinement des ondes pour l'obtention d'effets non linéaires exacerbés. D'une part, le régime de conversion paramétrique a permis l'obtention de sources de paires de photons intriqués ultra-efficaces et utiles aux protocoles de cryptographie quantique, mais aussi de téléportation et permutation d'intrication qui sont à la base des relais quantiques. D'autre part, le régime de génération de fréquence somme entre un laser de pompe et un photon télécom a ouvert une nouvelle voie pour la détection infrarouge, ainsi que pour le couplage entre lignes de distribution d'information quantique et mémoires quantiques atomiques opérant dans le visible. Dans ce cadre, nous introduirons les relais quantiques employés pour étendre la portée des réseaux de communication quantique. Nous détaillerons deux expériences menées au laboratoire, l'une consistant en un relais dans la configuration de permutation d'intrication, et l'autre sous la forme d'une "puce relais" dédiée au protocole de téléportation via l'intégration de plusieurs fonctions telles qu'un générateur de paires de photons et coupleurs directionnels à contrôle électro-optique.
Photonique quantique intégrée pour les applications quantiques Cette thèse porte sur la réalisation d’un composant pour la communication quantique à base d’optique intégrée sur niobate de lithium. Nous avons exploité simultanément les propriétés optiques non linéaire et électro-optique du niobate pour générer les états à deux photons configurables et annoncés. En utilisant un laser de pompe en régime picoseconde et des composants issus des technologies des télécommunications, nous avons démontré la capacité à produire divers états à deux photons codés en chemin, montrant 94% de visibilité brute pour l'interférence de type Hong-Ou-Mandel (HOM). La polyvalence et les performances d'une telle source d'intrication photonique aussi fortement intégrée permettent d'explorer des protocoles de traitement de l'information quantique plus complexes trouvant des applications dans les tâches de communication et de métrologie quantiques. Pour permettre l'interférence à deux photons sur la puce, la synchronisation préalable de deux impulsions de pompe à l’entrée de la puce est cruciale. Inspiré par l'expérience des doubles fentes de Young, nous avons synchronisé deux impulsions avec une précision de 100 µm en étudiant le contraste des franges d'interférence lors de la variation du retard relatif de ces impulsions. À l'aide d'un auto-corrélateur et d’un spectromètre, le produit temps-fréquence des impulsions de la pompe a été caractérisé avec précision, puis nous avons identifié la taille des filtres requis pour obtenir des états purs à 99%. La visibilité de l'interférence à deux photons étant liée à la puissance de la pompe, une étude théorique visant à déterminer le niveau de puissance approprié de la pompe a également été réalisée. Enfin, la capacité à générer un état intriqué à deux photons de haute qualité a été démontrée par une mesure de coïncidence quadruple reposant sur des détecteurs supraconducteurs de photons uniques (SNSPD) et un convertisseur temps-numérique programmable. Durant cette thèse, les SNSPDs ont été calibrés, puis un algorithme de comptage logique basé sur Labview a été développé, afin d'enregistrer efficacement et précisément les coïncidences quadruples pour les états N00N et états produits.
Ce mémoire présente l'étude et la réalisation expérimentale de deux sources de paires de photons, intriqués en énergie-temps et en « time-bins », basées sur un guide d'ondes intégré sur un substrat de niobate de lithium polarisé périodiquement (PPLN). Dans les deux cas, les photons jumeaux sont créés par génération paramétrique à la longueur d'onde dégénérée de 1310 nm autorisant leur transport par fibre optique télécom. Le guide PPLN montre une efficacité de conversion supérieure à 10-6, correspondant à une amélioration de 4 ordres de grandeur par rapport aux générateurs massifs. Même pompé par de faibles puissances, il présente une probabilité significative de créer deux paires simultanément ce qui est un avantage essentiel pour certains protocoles de communication quantique. Nous proposons à cet effet deux méthodes de caractérisation de la probabilité de créer une paire par photon de pompe (régime continu) ou par impulsion laser. Afin d'examiner la qualité des états enchevêtrés, deux expériences d'interférométrie ont montré des taux de contraste respectifs de 97 % et de 84 % pour les intrications en énergie-temps et en time-bins. Bien que ce dernier taux puisse être amélioré, ces résultats montrent le fort potentiel des guides PPLN pour devenir l'un des éléments clés des futurs protocoles de communication quantique.
Ce manuscrit expose le developpement de ressources fondamentales pour les communications quantiques a longues distances basees sur les technologies des fibres optiques telecoms et des guides d'onde optiques non lineaires. Apres une introduction generale sur les communications quantiques, cette these est structuree en trois parties principales. La premiere partie illustre le developpement de deux sources pour la generation de paires de photons intriques en polarisation et emis a une longueur d'onde telecom via conversion parametrique spontanee (SPDC) dans des guides d'ondes non lineaires integres sur niobate de lithium periodiquement polarise. Les sources s'appuient respectivement sur un accord de phase de type-II et un accord de phase de type-0 et sur des solutions de filtrage et d'interferometrie mises en place apres le cristal non lineaire. Dans la seconde partie, sont discutees les realisations de deux sources de photons uniques annonces haut debit. La premiere s'appuie sur le multiplexage spatial sur puce de photons uniques annonces. La seconde exploite le multiplexage temporel passif grâce a l'utilisation d'un laser telecom cadence a 10 GHz. Enfin, nous presentons une approche tout-optique visant la synchronisation de sources distantes de paires de photons intriques, agencees selon une architecture de type relais quantique distribue. Cette technique innovante repose sur l'utilisation d'un laser telecom impulsionnel en tant qu'horloge optique de reference. Cette horloge autorise la synchronisation de l'emission de paires de photons dans la bande C des telecoms en deux lieux distants. Des resultats preliminaires d'interference a deux photons sont montres et discutes.