L’intrication est un des aspects les plus fascinants et contre-intuitifs des systèmes quantiques, devenue une ressource clé dans tous les domaines de l’information quantique, des communications à la métrologie, des simulations au calcul. La photonique quantique intégrée est en train de jouer un rôle moteur pour le développement de sources de photons intriqués de plus en plus performantes et leur insertion dans des circuits quantiques complexes.
L’intrication est un des aspects les plus fascinants et contre-intuitifs des systèmes quantiques, devenue une ressource clé dans tous les domaines de l’information quantique, des communications à la métrologie, des simulations au calcul. La photonique quantique intégrée est en train de jouer un rôle moteur pour le développement de sources de photons intriqués de plus en plus performantes et leur insertion dans des circuits quantiques complexes.
L’intrication est une des propriétés les plus fascinantes de la mécanique quantique ; quand deux particules sont intriquées, la mesure des propriétés de l’une permet de connaître instantanément les propriétés de sa jumelle, quelle que soit la distance les séparant. Après avoir été démontrée expérimentalement sur différents systèmes, l’intrication est aujourd’hui au coeur de plusieurs domaines de recherche, comme les communications, le calcul et la métrologie. En parallèle aux recherches fondamentales sur des expériences de laboratoire très complexes, on assiste à un véritable essor de technologies quantiques dans l’objectif d’intégrer plusieurs composants quantiques sur une même puce. Dans cet article, nous illustrons l’évolution des sources de paires de photons intriqués, des expériences pionnières sur les cascades atomiques aux derniers dispositifs ultracompacts en matériaux semiconducteurs.
Les phénomènes quantiques les plus fondamentaux comme la cohérence quantique et l’intrication sont aujourd'hui explorés pour réaliser de nouvelles technologies. C'est le domaine des technologies quantiques, qui promettent de révolutionner le calcul, la communication et la métrologie. En encodant l'information dans les systèmes quantiques, il serait possible de résoudre des problèmes inaccessibles aux ordinateurs classiques, de garantir une sécurité absolue dans les communications et de développer des capteurs dépassant les limites classiques de précision. Les photons uniques, en tant que vecteurs d'information quantique, ont acquis un rôle central dans ce domaine, car ils peuvent être manipulés facilement et être utilisés pour mettre en œuvre de nombreux protocoles quantiques. Pour cela, il est essentiel de développer des interfaces très efficaces entre les photons et les systèmes quantiques matériels, tels les atomes uniques, une fonctionnalité fondamentale à la fois pour la génération et la manipulation des photons. La réalisation de tels systèmes dans l'état solide permettrait de fabriquer des dispositifs quantiques intégrés et à large échelle. Dans ce travail de thèse, nous étudions l'interface lumière-matière réalisée par une boîte quantique unique, utilisée comme un atome artificiel, couplée de façon déterministe à une cavité de type micropilier. Un tel dispositif s'avère être un émetteur et un récepteur efficace de photons uniques, et il est utilisé ici pour implémenter des fonctionnalités quantiques de base. Tout d'abord, sous une excitation optique résonante, nous montrons comment nos composants sont des sources très brillantes de photons uniques. L’accélération de l'émission spontanée de la boîte quantique dans la cavité et le contrôle électrique de la structure permettent de générer des photons très indiscernables avec une très haute brillance. Cette nouvelle génération de sources de photons uniques peut être utilisée pour générer des états de photons intriqués en chemin appelés états NOON. Ces états intriqués sont des ressources importantes pour la détection de phase optique, mais leur caractérisation optique a été peu étudiée jusqu’à présent. Nous présentons une nouvelle méthode de tomographie pour caractériser les états de NOON encodés en chemin et implémentons expérimentalement cette méthode dans le cas de deux photons. Enfin, nous étudions le comportement de nos composants comme filtres non-linéaires de lumière. L'interface optimale entre la lumière et la boîte quantique permet l'observation d'une réponse optique non-linéaire au niveau d'un seul photon incident. Cet effet est utilisé pour démontrer le filtrage des états Fock à un seul photon à partir d’impulsions classiques incidentes. Ceci ouvre la voie à la réalisation efficace d’interactions effectives entre deux photons dans un système à l’état solide, une étape fondamentale pour surmonter les limitations dues au fonctionnement probabilistes des portes optiques linéaires.
Vers les technologies quantiques basées sur l’intrication photonique Le but de cette thèse est de développer des sources d’intrication photonique en vue d'applications en sciences information quantique. Dans ce contexte, nous présentons une source très performante et entièrement guidée permettant, au moyen d'une boucle de Sagnac, la génération d'états hyper-intriqués en polarisation et en énergie-temps. La configuration guidée rend le dispositif versatile, efficace et compatible avec une large bande spectrale, répondant ainsi au besoin des systèmes et réseaux de communication fibrés. À cette fin, nous avons distribué simultanément dans différents canaux télécoms des paires de photons hyper-intriqués au moyen de multiplexeurs en longueur d'onde à 5 canaux (DWDM), augmentant de fait le débit. La qualité de l'intrication est validée par la violation d'une inégalité de Bell étendue à un espace de Hilbert à 16 dimensions. Afin de pouvoir interfacer des photons aux longueurs d'ondes des télécommunications avec les bandes d'absorption des mémoires quantiques situées dans le visible, nous avons également développé une interface cohérente en longueur d'ondes. Un nouveau dispositif de métrologie quantique permettant la mesure avec une précision inégalée des effets de la dispersion chromatique dans les fibres optiques standards est également proposé. Notre approche "quantique" améliore la précision par un facteur 2.6 par rapport aux méthodes de mesures conventionnelles. Dans ce même contexte, nous avons aussi implémenté un nouveau protocole de métrologie de la phase de deux photons en ne détectant uniquement qu'un seul photon. Cette réalisation ouvre la voie à des applications potentielles simples s'appuyant sur peu de ressources au niveau de la détection. Finalement, dans la perspective de la miniaturisation de dispositifs quantiques, nous avons démontré un générateur d'intrication annoncée intégré sur puce qui trouve des applications en calcul et métrologie quantique.
Dans le domaine de l’information quantique, les photons apparaissent comme de parfaits bits quantiques (qubits) pour le transport de l’information d’un point à un autre. Ce besoin de photons uniques sur demande, où un et un seul photon est émis avec une bonne fiabilité, conduit à une recherche considérable dans le développement de sources de photons efficace. Un paramètre clé est la brillance, défini comme la probabilité qu’un photon émis par l’émetteur soit collecté. Pour certaines applications, il est également important que tous les photons émis soient tous identiques. On dit alors qu’ils sont indiscernables, dans ce cas les photons peuvent interagir et interférer entre eux. Pour obtenir la source idéale de photons uniques et indiscernables avec une brillance égale à un, de nombreuses pistes sont explorées avec différents émetteurs tels que des défauts dans le diamant, des ions ou des atomes piégés, des molécules uniques ou des boîtes quantiques semiconductrices.En couplant une boîte quantique avec une cavité optique, l’émission spontanée est de la boîte quantique est modifiée pour obtenir des sources brillantes de photons uniques. Une technique innovante développée dans l’équipe du Pr. Pascale Senellart au Laboratoire de Photonique et Nanostructures (LPN) du CNRS permet de fabriquer des sources brillantes de manière reproductible avec une excellente fiabilité.Ce travail explore les performances de boîtes quantiques uniques couplées dans des micropiliers. Diverses techniques sont utilisées pour augmenter la pureté des photons uniques et leur indiscernabilité tout en maintenant une brillance élevée. Dans un premier temps, une structure de cavité adiabatique a été utilisée pour obtenir une plus grande accélération de l’émission spontanée des BQs par effet Purcell. Ces sources ont utilisées pour réaliser un réseau où les photons émis par différentes sources interfèrent. Ensuite, une technique pour appliquer une tension électrique sur les micropilliers a été développée. Grâce à cette technique et à une excitation optique résonante, des photons parfaitement indiscernables sont collectés avec une très bonne brillance.Les résultats présentés ouvrent de nombreuses perspectives pour diverses applications telles que la fabrication d’un réseau quantique, pour la cryptographie quantique, pour la métrologie ou pour la microscopie.
Le but de cette thèse est de développer des sources d intrication photonique pour étudier les réseaux de communication quantique et l optique quantique fondamentale. Trois sources très performantes sont construites uniquement autour de composants standards de l optique intégrée et des télécommunications optiques. La première source génère de l intrication en polarisation via une séparation déterministe des paires de photons dans deux canaux adjacents des télécommunications. Cette source est donc naturellement adaptée à la cryptographie quantique dans les réseaux à multiplexage en longueurs d ondes. La seconde source génère, pour la première fois, de l intrication en time-bins croisés, autorisant l'implémentation de crypto-systèmes quantiques à base d analyseurs passifs uniquement. La troisième source génère, avec une efficacité record, de l intrication en polarisation via un convertisseur d observable temps/polarisation. La bande spectrale des photons peut être choisie sur plus de cinq ordres de grandeur (25 MHz - 4 THz), rendant la source compatible avec toute une variété d applications avancées, telles que la cryptographie, les relais et les mémoires quantiques. Par ailleurs, cette source est utilisée pour revisiter la notion de Bohr sur la complémentarité des photons uniques en employant un interféromètre de Mach-Zehnder dont la lame séparatrice de sortie se trouve dans une superposition quantique d être à la fois présente et absente. Enfin, pour adapter la longueur d onde des paires des photons télécoms intriqués vers les longueurs d ondes d absorption des mémoires quantiques actuelles, un convertisseur cohérent de longueur d onde est présenté et discuté.
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.