Dans cette thèse, après avoir décrit les bases de la communication quantique et le fonctionnement des répéteurs quantiques, nous décrivons trois expériences qui démontrent la faisabilité de trois éléments important pour la fabrication éventuelle de répéteurs quantiques et pour la communication quantique en général.
Protocoles de téléportation quantique reposant sur l'intrication hybride de la lumière Cette thèse porte sur l'implémentation de protocoles de téléportation quantique impliquant conjointement les approches en variables discrètes et en variables continues de l'information quantique optique. Nous commençons par présenter l'intérêt de ces protocoles dans le cadre des réseaux quantiques hétérogènes, puis nous introduisons les techniques expérimentales pour la production d'états non-Gaussiens tels que des photons uniques, des chats de Schrödinger optiques, jusqu'à l'intrication hybride de la lumière entre des états quantiques en variables discrètes et continues. Nous développons un nouvel outil expérimental pour la mise en place d'une mesure de Bell qui intègre des techniques de comptage de photon et de sélection de quadratures du champ. Nous combinons ces méthodes en réalisant un protocole de transfert d'intrication entre deux états intriqués de natures différentes: une intrication à un photon et une intrication hybride de la lumière. Nous décrivons ensuite la mise en place d'une source de photons uniques annoncés supplémentaire et d'un système de cryogénie pour le fonctionnement de détecteurs de photon supraconducteurs. Enfin nous employons ces nouvelles ressources dans un protocole de téléportation quantique hybride permettant la conversion d'information quantique de variables discrètes à variables continues. Ces travaux ouvrent la voie à l'interconnexion de plateformes de natures différentes dans les réseaux quantiques hétérogènes.
Cette thèse porte sur l'implémentation de protocoles de téléportation quantique impliquant conjointement les approches en variables discrètes et en variables continues de l'information quantique optique. Nous commençons par présenter l'intérêt de ces protocoles dans le cadre des réseaux quantiques hétérogènes, puis nous introduisons les techniques expérimentales pour la production d'états non-Gaussiens tels que des photons uniques, des chats de Schrödinger optiques, jusqu'à l'intrication hybride de la lumière entre des états quantiques en variables discrètes et continues. Nous développons un nouvel outil expérimental pour la mise en place d'une mesure de Bell qui intègre des techniques de comptage de photon et de sélection de quadratures du champ. Nous combinons ces méthodes en réalisant un protocole de transfert d'intrication entre deux états intriqués de natures différentes: une intrication à un photon et une intrication hybride de la lumière. Nous décrivons ensuite la mise en place d'une source de photons uniques annoncés supplémentaire et d'un système de cryogénie pour le fonctionnement de détecteurs de photon supraconducteurs. Enfin nous employons ces nouvelles ressources dans un protocole de téléportation quantique hybride permettant la conversion d'information quantique de variables discrètes à variables continues. Ces travaux ouvrent la voie à l'interconnexion de plateformes de natures différentes dans les réseaux quantiques hétérogènes.
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.
Systèmes d'optique quantique pour la cryptographie à longue distance et les réseaux quantiques La thèse est divisée en deux parties : La première partie s'inscrit dans le domaine de la cryptographie quantique. Dans cette partie, nous développons une étude théorique d'un protocole de distribution de clés quantiques (QKD) dans le scénario d'une liaison satellite-station terrestre. Nous considérons l'ajout des fluctuations quantiques du canal et la possibilité de succès du protocole dans le cadre de variables continues dans une implémentation avec des technologies de pointe. Nous montrons la faisabilité de CVQKD dans le contexte du satellite. Dans la deuxième partie, nous construisons, à partir de zéro, une source d'états quantiques de la lumière de type graphe à variables continues en utilisant des guides d'ondes non linéaires. Ces états sont essentiels pour la mise en œuvre de protocoles de communication et de calcul quantique, car ils peuvent être considérés comme des réseaux quantiques. Nous réalisons une étude théorique des états quantiques multimodes de la lumière après l'interaction dans un guide d'ondes non linéaire qui nous aide à concevoir l'expérience. Enfin, nous présentons les résultats expérimentaux qui démontrent les premiers résultats sur la source quantique d'états quantiques de lumière multimode à variation continue, mesurant jusqu'à 11 états de lumière thermique comprimée.
L'avenir des communications quantiques réside dans le développement de répéteurs pour lesquels une mémoire quantique est nécessaire et permet de chaîner plusieurs transferts d'intrication. Ces mémoires exigent une largeur spectrale très étroite (< 100MHz), ce qui impose des contraintes fortes sur la qualité des sources de paires de photons intriqués. Dans le cadre de cette faible largeur spectrale, nous étudions les performances des sources de photons jumeaux basées sur la fluorescence paramétrique dans un cristal non-linéaire. Pour assurer la propagation sur de longues distances, les photons sont émis à 1550 nm et couplés dans des fibres optiques. Pour les besoins de synchronisation, nous nous intéressons au cas de sources impulsionnelles. Après une étude de l'effet de leurs différents degrés de liberté sur leurs performances, nous apportons deux contributions utiles à la réalisation de sources optimales. La première, basée sur une étude théorique confirmée par l'expérience, est un résultat nouveau et général donnant les conditions optimales d'interaction paramétrique en vue de maximiser non pas la brillance de la source, mais l'efficacité d'extraction des paires, critique du point de vue de la qualité. La seconde contribution consiste en une technique originale de mesure directe de cette efficacité d'extraction. Outre les mesures de taux de détection (coups simples et coïncidences) effectuées par exemple lors d'une mesure de Bell, cette technique ne fait appel qu'à la connaissance de la forme spectrale du filtrage des photons jumeaux. Ces résultats théoriques de portée générale, et la technique simple développée, constituent deux éléments d'une étude détaillée des sources basée sur la fluorescence paramétrique.