L'information quantique photonique : le point de vue de l'expérimentateur
Olivier Alibart, Virginia D’Auria, Laurent Labonté, Florent Doutre, Marc de Micheli, Anthony Martin, Florian Kaiser, Lutfi Arif Ngah, Amandine Issautier, Anders Kastberg, Daniel B. Ostrowsky, Sébastien Tanzilli
L'information quantique est un champ de recherche dont l'objectif est de tirer parti des possibilités offertes par la physique quantique pour traiter l'information de manière plus efficace. Les deux composantes principales sont d'une part les communications quantiques qui permettent, par exemple, la distribution de clés cryptographiques dont le niveau de confidentialité est inatteignable avec des moyens classiques, et d'autre part le calcul quantique, pour lequel de nouveaux algorithmes permettent de diminuer radicalement les temps de calculs nécessaires pour résoudre certains problèmes tels que la factorisation des grands nombres. Le potentiel de l'information quantique repose sur la richesse des " supports " quantiques (atomes, électrons, photons...) qui offrent une infinité de possibilités : l'état 1, l'état 0 et toutes les superpositions cohérentes des deux. On ne parle plus alors de bits, mais plutôt de qu-bits (quantum bits). En m'appuyant sur les travaux expérimentaux menés au LPMC, je proposerai une introduction à l'information quantique en insistant sur le rôle que jouent les paires de photons dans les protocoles quantiques. Ensuite, je présenterai les moyens que nous explorons pour générer les paires de photons, ainsi que les expériences que nous avons réalisées. Si le temps le permet je présenterai d'autres "outils quantiques" qui sont réalisées efficacement grâce à l'optique guidée.
L'information quantique est un champ de recherche dont l'objectif est de tirer parti des possibilités offertes par la physique quantique pour traiter l'information de manière plus efficace. Les deux composantes principales sont d'une part les communications quantiques qui permettent, par exemple, la distribution de clés cryptographiques dont le niveau de confidentialité est inatteignable avec des moyens classiques, et d'autre part le calcul quantique, pour lequel de nouveaux algorithmes permettent de diminuer radicalement les temps de calculs nécessaires pour résoudre certains problèmes tels que la factorisation des grands nombres. Le potentiel de l'information quantique repose sur la richesse des " supports " quantiques (atomes, électrons, photons...) qui offrent une infinité de possibilités : l'état 1, l'état 0 et toutes les superpositions cohérentes des deux. On ne parle plus alors de bits, mais plutôt de qu-bits (quantum bits). En m'appuyant sur les travaux expérimentaux menés au LPMC, je proposerai une introduction à l'information quantique en insistant sur le rôle que jouent les paires de photons dans les protocoles quantiques. Ensuite, je présenterai les moyens que nous explorons pour générer les paires de photons, ainsi que les expériences que nous avons réalisées. Si le temps le permet je présenterai d'autres "outils quantiques" qui sont réalisées efficacement grâce à l'optique guidée.
L'informatique quantique est basée sur des phénomènes de physique quantique, tels que superposition et intrication et elle promet de révolutionner le monde de l'informatique. La photonique est une plateforme de premier plan pour réaliser l'informatique quantique tolérante aux erreurs. Elle possède plusieurs qualités : fonctionnement à température ambiante, fabricabilité à grande échelle à l'aide des fonderies existantes pour les puces de silicium et compatibilité avec les communications optique pour interconnecter différents ordinateurs quantiques.Notre objectif principal est d'automatiser la conception de circuits quantiques photoniques et de leurs interconnexions. Avant de pouvoir fabriquer un véritable ordinateur quantique photonique, il est essentiel de simuler numériquement et d'optimiser les circuits correspondants, qui sont en pratique construits à partir de composants gaussiens tels que des squeezers, des séparateurs de faisceaux, des déphaseurs et des détections homodynes. Pour atteindre l'universalité, nous avons également besoin d'effets non gaussiens, qui peuvent être fournis par des détecteurs résolvant le nombre de photons. Nous concevons des circuits à partir de cette boîte à outils et les optimisons pour diverses applications en utilisant divers algorithmes de descente de gradient, dont certains que nous avons adaptés à notre objectif.Les principaux apports sont :1. En photonique, les représentations de l'espace de Fock et de l'espace de phase sont des formalismes utiles pour décrire les états et les transformations quantiques. Nous introduisons une représentation unifiée dans l'espace de Fock de tous les objets gaussiens en termes d'une seule relation de récurrence linéaire qui peut générer de manière récursive leurs amplitudes dans l'espace de Fock.2. On retrouve la règle de composition des opérations gaussiennes dans l'espace de Fock, qui permet d'obtenir la bonne phase globale lors de la composition des opérations gaussiennes (normalement absente), et donc d'étendre notre modèle à des états qui s'écrivent comme combinaisons linéaires de gaussiennes.3. Notre représentation récursive est différentiable, permettant à calculer des gradients. Nous adaptons ensuite l'optimisation basée sur les gradients au problème d'optimisation des circuits. Nous implémentons un optimiseur Euclidien afin d'optimiser chaque composant. Ensuite, nous étudions deux manières de prendre en compte la géométrie: d'abord, nous appliquons l'optimisation Riemannienne, en combinant toutes les opérations gaussiennes en une transformation globale pour trouver ensuite la transformation optimisée, et la décomposer en composants optiques fondamentaux. Deuxièmement, nous généralisons une version complexe du gradient naturel pour les circuits afin d'accélérer le processus d'apprentissage.4. Nous donnons également quelques stratégies optimales basées sur les tâches pour utiliser nos relations de récurrence. De nouveaux algorithmes sont proposés pour calculer, par exemple, les amplitudes d'un état mixte et la matrice de transformation des interféromètres. De plus, nous dérivons un algorithme de contraction rapide pour les transformations gaussiennes, qui nous permet de "fusionner" le calcul des amplitudes d'une transformation gaussienne et son action sur n'importe quel état.5. Avec la simulation sur des circuits quantiques photoniques différentiables construits à partir de la relation de récurrence, nous pouvons concevoir automatiquement des circuits quantiques photoniques. Nous donnons la préparation de l'état comme premier exemple ; nous trouvons des circuits capables de produire des états de haute fidélité dans un temps raisonnable. Nous pouvons aussi optimiser un interféromètre à 216 modes pour rendre une expérience d'échantillonnage de boson gaussien difficile à usurper.6. Nous avons rendu ce travail accessible dans diverses bibliothèques open source: TheWalrus, StrawberryFields, Poenta et MrMustard.
Implémentation des protocoles pour des réseaux quantiques photoniques Cette thèse s'inscrit dans le domaine de l'information quantique, avec un accent particulier sur les réseaux de communication quantique. L'objectif de ces réseaux est de permettre le développement de nouvelles technologies fondamentales en facilitant la communication quantique entre des parties distantes, menant ainsi à un Internet quantique. Ces réseaux permettent la transmission de bits quantiques (qubits) sur de longues distances, rendant possibles des tâches qui sont prouvablement irréalisables par tout réseau de communication classique. De plus, la capacité à générer de l'intrication entre des sites distants constitue une puissante plateforme pour l'étude fondamentale de la nature. Les ressources photoniques sont au cœur de l'infrastructure des réseaux quantiques, car elles offrent le moyen optimal de communication entre les nœuds du réseau. Dans cette thèse, nous mettons en œuvre une plateforme photonique capable de générer des états de Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) de haute fidélité à des longueurs d'onde télécom, dans une configuration compacte et évolutive. Notre source repose sur la conversion paramétrique spontanée dans un interféromètre de Sagnac multicouche, nécessitant un seul cristal non linéaire. Ce design permet la génération de paires de photons hautement indistinguables, conduisant ainsi à des états intriqués multipartites de haute qualité. Grâce à cette source, nous réalisons la première démonstration expérimentale de certification d'état quantique indépendante du dispositif dans un régime non-IID. Cette tâche constitue un élément fondamental pour la communication et le calcul quantiques, car elle permet de déterminer si les parties impliquées peuvent faire confiance aux ressources utilisées ou si l'application doit être interrompue. Nous étudions également l'efficacité d'échantillonnage de ce protocole et analysons comment il peut être exploité pour un traitement de l'information quantique robuste et fiable. En outre, nous explorons la confidentialité des parties individuelles dans un protocole de détection quantique distribuée en certifiant les états intriqués partagés au sein du réseau.
Protocoles pratiques pour les réseaux de communication quantique Dans cette thèse, nous étudions les réseaux des états optiques quantiques intriqués avec différents degrés de complexité, avec une attention particulière portée à leur application dans des scénarios de communication quantique. Le but de la communication quantique est de permettre à deux ou plusieurs parties de communiquer d'une façon qui serait impossible avec de la technologie classique. L'archétype de ce domaine est la distribution de clé quantique ou quantum key distribution (QKD), qui permet à deux agents de partager une clé aléatoire secrète pour effectuer des communications sécurisées, en empêchant, au même temps, qu'un troisième agent malveillant puisse obtenir connaissance de leur clé. Dans ce manuscrit, cependant, nous explorons des scénarios de communication quantique qui vont au-delà de la QKD standard afin de tester les nombreuses possibilités offertes par les réseaux de dispositifs quantiques interconnectés, aussi appelés internet quantique. Spécifiquement, nous présentons trois types de réseaux quantiques, qui correspondent à trois niveaux de complexité d'internet quantique. Dans chaque niveau, nous décrivons le scénario de communication, les exigences physiques nécessaires pour construire l'architecture spécifique et un nouveau protocole qui ne peut pas être reproduit sans des ressources quantiques. Dans cette document, nous veillons particulièrement à la "praticité" des protocoles, notamment le fait que leur implémentation doit être possible dans des conditions réalistes avec technologie existante, au moins comme preuve du principe. Le premier concerne un protocole quantique à preuves interactives qui montre pour la première fois une preuve expérimentale d'un avantage quantique dans un cadre interactif. Dans ce scénario, il y a un prouveur avec de la puissance calculatoire illimitée qui veut convaincre un vérifieur honnête de l'existence d'une certaine solution d'un problème mathématique complexe, en lui envoyant une partie de la preuve sous forme d'états quantiques. Notre construction permet au vérifieur de vérifier l'assertion du prouveur sans recevoir la solution entière. Nous prouvons que sans ressources quantiques, le protocole de vérification exigerait un temps exponentiel en la taille de la solution, menant à un avantage quantique en terme de temps de calcul, avantage que nous avons démontré dans notre laboratoire. Le deuxième porte sur un protocole de vote électronique qui exploite un état quantique multipartite intriqué non fiable pour réaliser une élection sans s'appuyer sur des autorités électorales, dont le résultat peut être vérifié publiquement sans compromettre la robustesse de la construction et qui peut être implémenté aisément avec les technologies de pointe existantes pour un petit nombre de votant. À l'invers des résultats précédents, notre protocole n'exige pas une émission simultanée et marche aussi dans des scénarios bruyants, où la sécurité est limitée par la fidélité de l'état quantique utilisé. Enfin, nous simulons des états comprimés de la lumière de nombreux modes comme des réseaux quantique Gaussien à variables continues avec des topologies complexes, nous caractérisons leur corrélations et nous estimons l'intensification de leur coût pendant que les réseaux grandissent avec une théorie de ressource de compression. Nous prouvons un résultat qui permet de renforcer l'intrication entre deux nœuds du réseau si on mesure les chemins multiples qui les connectent et nous utilisons cet effet pour concevoir un protocole de routage d'intrication dont les performance sont particulièrement efficace dans des réseaux complexes grands.
La théorie de l'information quantique s'est développée à une vitesse fulgurante au cours des vingt dernières années, avec des analogues et extensions des théorèmes de codage de source et de codage sur canal bruité pour la communication unidirectionnelle. Pour la communication interactive, un analogue quantique de la complexité de la communication a été développé, pour lequel les protocoles quantiques peuvent performer exponentiellement mieux que les meilleurs protocoles classiques pour certaines tâches classiques. Cependant, l'information quantique est beaucoup plus sensible au bruit que l'information classique. Il est donc impératif d'utiliser les ressources quantiques à leur plein potentiel. Dans cette thèse, nous étudions les protocoles quantiques interactifs du point de vue de la théorie de l'information et étudions les analogues du codage de source et du codage sur canal bruité. Le cadre considéré est celui de la complexité de la communication: Alice et Bob veulent faire un calcul quantique biparti tout en minimisant la quantité de communication échangée, sans égard au coût des calculs locaux. Nos résultats sont séparés en trois chapitres distincts, qui sont organisés de sorte à ce que chacun puisse être lu indépendamment. Étant donné le rôle central qu'elle occupe dans le contexte de la compression interactive, un chapitre est dédié à l'étude de la tâche de la redistribution d'état quantique. Nous prouvons des bornes inférieures sur les coûts de communication nécessaires dans un contexte interactif. Nous prouvons également des bornes atteignables avec un seul message, dans un contexte d'usage unique. Dans un chapitre subséquent, nous définissons une nouvelle notion de complexité de l'information quantique. Celle-ci caractérise la quantité d'information, plutôt que de communication, qu'Alice et Bob doivent échanger pour calculer une tâche bipartie. Nous prouvons beaucoup de propriétés structurelles pour cette quantité, et nous lui donnons une interprétation opérationnelle en tant que complexité de la communication quantique amortie. Dans le cas particulier d'entrées classiques, nous donnons une autre caractérisation permettant de quantifier le coût encouru par un protocole quantique qui oublie de l'information classique. Deux applications sont présentées: le premier résultat général de somme directe pour la complexité de la communication quantique à plus d'une ronde, ainsi qu'une borne optimale, à un terme polylogarithmique près, pour la complexité de la communication quantique avec un nombre de rondes limité pour la fonction « ensembles disjoints ». Dans un chapitre final, nous initions l'étude de la capacité interactive quantique pour les canaux bruités. Étant donné que les techniques pour distribuer de l'intrication sont bien étudiées, nous nous concentrons sur un modèle avec intrication préalable parfaite et communication classique bruitée. Nous démontrons que dans le cadre plus ardu des erreurs adversarielles, nous pouvons tolérer un taux d'erreur maximal de une demie moins epsilon, avec epsilon plus grand que zéro arbitrairement petit, et ce avec un taux de communication positif. Il s'ensuit que les canaux avec bruit aléatoire ayant une capacité positive pour la transmission unidirectionnelle ont une capacité positive pour la communication interactive quantique. Nous concluons avec une discussion de nos résultats et des directions futures pour ce programme de recherche sur une théorie de l'information quantique interactive.
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.
Démonstration expérimentale d'avantage quantique pour des applications en calcul et en communication Les caractéristiques distinctives et souvent contre-intuitives de la mécanique quantique, telles que la superposition, l'absence de clonage et l'intrication, ont ouvert de nouvelles voies dans le domaine des sciences de l'information. Les chercheurs ont utilisé ces caractéristiques pour trouver des solutions efficaces à des problèmes de calcul difficiles et pour établir de nouveaux concepts de sécurité inviolables dans diverses tâches de communication. Cette thèse couvre un large éventail de sujets. Nous commençons par démontrer expérimentalement la quantité réduite de transfert d'informations nécessaire pour résoudre un problème spécifique. Ensuite, nous mettons en œuvre une technique cryptographique pour le jeu de pile ou face, en soulignant l'amélioration de la sensibilité à la tricherie offerte par le cadre quantique. En outre, dans le domaine de la cryptographie, nous avons étudié les moyens de rendre plus réalisable dans la pratique une fonctionnalité essentielle connue sous le nom de transfert oblivieux, qui s'appuie sur les ressources quantiques pour la sécurité du calcul. Ensuite, nous nous concentrons sur le problème de l'échantillonnage du boson, qui s'est avéré extrêmement difficile à l'aide de simulations classiques mais réalisable grâce à l'optique quantique ; nous avons cherché à mettre en œuvre un protocole de vérification pour cette tâche bien connue. Le système physique quantique qui sous-tend nos projets ultérieurs est entièrement basé sur l'optique quantique. Enfin, sur un plan plus théorique, nous avons cherché à approfondir le domaine des corrélations quantiques en développant des outils numériques pour caractériser la direction quantique au sein d'un réseau donné.