Génération et manipulation d'états photoniques de haute dimension avec des puces AlGaAs Cette thèse est consacrée au développement de nouveaux dispositifs semi-conducteurs intégrés et de méthodes pour la génération et la manipulation d'états lumineux de haute dimension. Nous présentons l'étude d'un guide d'onde AlGaAs utilisant un processus de conversion paramétrique spontanée de type II en régime de pompage monochromatique, s’intéressant en particulier à l'amplitude spectrale jointe de l'état émis. La source fonctionne à température ambiante, émet des paires de photons dans le domaine des télécommunications et est compatible avec l'injection électrique. La génération d'états biphotoniques à large bande est démontrée expérimentalement par la reconstruction de l'intensité spectrale jointe et par une expérience de Hong-Ou-Mandel indiquant que les photons signal et complémentaire sont émis sur une large bande spectrale (170 nm) et avec un haut degré d'indiscernabilité (V=0,86). De plus, nous montrons que l'effet de cavité dû à la réflectivité des facettes des guides d'onde conduit à la production de peignes de fréquence à deux photons. Cette plateforme est utilisée pour démontrer une méthode originale de génération et de contrôle de la symétrie des états peignes exploitant les effets de cavité et un retard imposé entre les deux photons de chaque paire. Plus spécifiquement, nous montrons qu'un réglage fin de la fréquence de la pompe permet de générer des états peignes résonnants et anti-résonants permettant de manipuler la symétrie de la fonction d'onde. La méthode peut être adaptée et appliquée à une grande variété de systèmes, massifs ou intégrés, augmentant ainsi leur flexibilité et la richesse des états générés en vue de la mise en œuvre de nouveaux protocoles d'information quantique. En outre, nous démontrons la réalisation d'un guide d'onde AlGaAs pour la génération de faisceaux lumineux portant un moment angulaire de spin et présentons la conception d'un dispositif pour la génération d'un faisceau lumineux portant un moment orbital angulaire de premier ordre.
Génération et manipulation d'états photoniques de haute dimension avec des puces AlGaAs Cette thèse est consacrée au développement de nouveaux dispositifs semi-conducteurs intégrés et de méthodes pour la génération et la manipulation d'états lumineux de haute dimension. Nous présentons l'étude d'un guide d'onde AlGaAs utilisant un processus de conversion paramétrique spontanée de type II en régime de pompage monochromatique, s’intéressant en particulier à l'amplitude spectrale jointe de l'état émis. La source fonctionne à température ambiante, émet des paires de photons dans le domaine des télécommunications et est compatible avec l'injection électrique. La génération d'états biphotoniques à large bande est démontrée expérimentalement par la reconstruction de l'intensité spectrale jointe et par une expérience de Hong-Ou-Mandel indiquant que les photons signal et complémentaire sont émis sur une large bande spectrale (170 nm) et avec un haut degré d'indiscernabilité (V=0,86). De plus, nous montrons que l'effet de cavité dû à la réflectivité des facettes des guides d'onde conduit à la production de peignes de fréquence à deux photons. Cette plateforme est utilisée pour démontrer une méthode originale de génération et de contrôle de la symétrie des états peignes exploitant les effets de cavité et un retard imposé entre les deux photons de chaque paire. Plus spécifiquement, nous montrons qu'un réglage fin de la fréquence de la pompe permet de générer des états peignes résonnants et anti-résonants permettant de manipuler la symétrie de la fonction d'onde. La méthode peut être adaptée et appliquée à une grande variété de systèmes, massifs ou intégrés, augmentant ainsi leur flexibilité et la richesse des états générés en vue de la mise en œuvre de nouveaux protocoles d'information quantique. En outre, nous démontrons la réalisation d'un guide d'onde AlGaAs pour la génération de faisceaux lumineux portant un moment angulaire de spin et présentons la conception d'un dispositif pour la génération d'un faisceau lumineux portant un moment orbital angulaire de premier ordre.
Génération sur puce d'états photoniques intriqués à haute dimension Les états non classiques de lumière sont des ressources clés pour les technologies de l'information quantique, grâce à leur facilité de transmission, leur robustesse à la décohérence et leur variété de degrés de liberté utilisables pour coder l'information. Dans ce contexte, cette thèse de doctorat est consacrée au développement de nouvelles sources semi-conductrices de paires de photons. En exploitant la grande flexibilité offerte par la conversion paramétrique spontanée (SPDC en anglais) dans les guides d'ondes AlGaAs, nous démontrons la génération et l'ingénierie d'états non classiques de lumière à haute dimension codés en fréquence. Tout d'abord, nous utilisons une source basée sur un accord de phase contra-propageant et démontrons que l'ingénierie du profil spatial (en intensité et phase) du faisceau de pompe permet de contrôler les corrélations spectrales et la symétrie de la fonction d'onde des paires de photons directement à la génération, sans aucune post-sélection. En particulier, la variation de la taille du faisceau de pompe permet de produire des états en fréquence corrélés, anti-corrélés et séparables en fréquence ; tandis que l'ingénierie du profil de phase spatial permet de passer d'une fonction d'onde spectrale symétrique à antisymétrique et ainsi de modifier la statistique d'échange des photons, comme démontré par interférométrie de Hong-Ou-Mandel. Nous avons aussi exploré des états quantiques encore plus complexes : en effet, nous démontrons que cette source, grâce à sa géométrie et à un traitement antireflet, peut émettre des paires de photons intriqués dans un degré de liberté hybride polarisation/fréquence. Nous développons ensuite un nouveau dispositif formé par un réseau de guides d'ondes non linéaires dessiné pour d'émettre des paires de photons intriqués dans des modes spatiaux grâce à l'effet des marches quantiques en cascade. Nous présentons l'optimisation des procédés de fabrication en salle blanche et des première caractérisation optiques de ce nouveau dispositif.
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.
Génération et manipulation d'états photoniques pour la communication quantique Le travail présenté dans cette thèse est principalement divisé en deux parties. Une première partie expérimentale dans laquelle des réalisations basées sur des solutions d’optique guidée et d’optique intégrée à une longueur d’onde télécom sont mises en oeuvre dans les régimes continu et pulsé. La motivation derrière cette partie est de développer des solutions et techniques expérimentales permettant des implémentations de protocoles de communication quantique sur le terrain. La deuxième partie consiste en l’étude théorique de la génération d’états quantiques non gaussiens de haute qualité et de haute amplitude avec des ressources relativement raisonnables. Dans la partie expérimentale, trois réalisations sont présentées. La première consiste à générer des états de type chat de Schrödinger en régime continu à une longueur d’onde télécom utilisant une approche d’optique guidée basée sur des composants fibrés disponibles sur le marché. Une deuxième réalisation consiste en la conception et la caractérisation expérimentale d’une source SPDC guidée pour la génération d’états quantiques discrets et continus de haute qualité ainsi que l’intrication hybride. Enfin, le troisième travail expérimental concerne les premières caractérisations des résonateurs de type micro-anneaux en nitrure de silicium à faible perte et à haut facteur de qualité pour la génération d’intrication multimode dans un peigne de fréquence. Ces implémentations expérimentales sont menées dans le but d’évoluer vers des applications de protocoles de communication quantique hors laboratoire. D’autre part, deux études théoriques sont menées dans la deuxième partie. Dans un premier temps, nous développons un cadre théorique pour décrire l’opération de soustraction de photons à partir d’un état quantique multimode. En appliquant ce cadre au cas de la production d’états de type chat de Schrödinger, nous montrons que des états non gaussiens de haute qualité peuvent être obtenus avec des solutions simples et non sélectives de mode dans le régime multimode. Ensuite, nous proposons un nouveau protocole pour la génération d’état non gaussien de haute amplitude basé sur les capacités de multiplexage offertes par les sources photoniques, réduisant considérablement la complexité et augmentant les performances par rapport aux protocoles itératifs déjà existants.
Dispositifs photoniques en AlGaAs : de la génération d'etats quantiques aux communications quantiques Un des plus grands challenges dans le domaine de l’information quantique est la génération, manipulation et détection de plusieurs qubits sur des micro-puces. On assiste ainsi à un véritable essor des technologies pour l’information quantique et pour transmettre l’information, les photons ont un grand avantage sur les autres systèmes, grâce à leur grande vitesse et leur immunité contre la décohérence.Mon travail de thèse porte sur la conception, fabrication et caractérisation d’une source de photons intriqués en matériaux semiconducteurs d’une très grande compacité. Ce dispositif fonctionne à température ambiante, et émet dans la bande de longueurs d’onde télécom. Après une présentation des concepts fondamentaux (chap. 1), le chap. 2 explique la conception et la fabrication des dispositifs.Le chap. 3 présente les caractérisations opto-électroniques des échantillons pompés électriquement, et le chap. 4 les résultats des mesures de pertes et des caractérisations non-linéaires optiques (génération de seconde harmonique, conversion paramétrique spontanée et reconstruction de l’intensité spectrale jointe). Les chap. 5 et 6 se concentrent sur la caractérisation des états quantiques générés par un dispositif passif (démonstration de l’indiscernabilité et de l’intrication en énergie-temps) et leur utilisation dans un protocole de distribution de clés quantiques multi-utilisateurs (intrication en polarisation). Finalement le travail sur le premier dispositif produisant des pairs de photons dansles longueurs d’onde télécoms, injecté électriquement et fonctionnant à température ambiante est présenté (chap. 7).
AlGaAs quantum photonics : from device engineering to quantum information protocols La photonique quantique intégrée est l'une des principales approches pour la réalisation de technologies quantiques versatiles et flexibles. Les applications les plus notables vont du calcul quantique et la simulation quantiques aux communications sécurisées. Dans cette thèse, nous relevons certains des défis actuels de la photonique quantique intégrée avec l'aide de la plate-forme AlGaAs. Grâce à sa non-linéarite optique du second ordre, son haut indice de réfraction et son important coefficient électro-optique, ce matériau est particulièrement adapté à la génération et la manipulation sur puce de paires de photons intriqués à température ambiante et aux longueurs d'onde télécom. Ce travail de thèse est divisé en deux axes de recherches parallèles : d'une part l'intégration monolithique de nouvelles fonctionnalités sur une puce photonique quantique AlGaAs et d'autre part l'application des sources AlGaAs de photons intriqués aux communications quantiques. Dans le premier projet, nous avons commencé par montrer l'intégration monolithique d'une ligne à retard électro-optique avec une source SPDC AlGaAs de paires de photons. La ligne à retard présente une tension pi/2 de 9 V, ce qui permet de contrôler l'état des photons directement sur la puce en utilisant des composants électroniques standards. En outre, nous sommes parvenus à intégrer un séparateur de polarisation large-bande avec une source AlGaAs sur une même puce monolithique. Ce dispositif a permis de montrer une séparation efficace des polarisation avec un taux de séparation excédant les 90 % sur une bande spectrale de 45 nm. Nous avons caractérisé l'indiscernabilité spectrale des photons intriqués à la sortie du séparateur de polarisation en réalisant une interférométrie Hong-Ou-Mandel. Nous avons mesuré une visibilité de 80 %, intrinsèquement limitée par la biréfringence de la source, ce qui montre que nous parvenons à séparer de manière déterministe les paires de photons directement sur puce sans altérer leur état quantique. Dans le second projet, nous exploitons la haute qualité et large bande spectral de l'état intriqué en polarisation généré par notre source SPDC AlGaAs pour construire un réseau de communication quantique reconfigurable. Nous avons tout d'abord montré la haute qualité de l'intrication en mesurant une fidélité à un état de Bell de plus de 95 % sur une bande spectrale de 26 nm. Nous avons ensuite combiné notre source avec des techniques de multiplexage flexible en longueur d'onde issues de l'industrie télécom afin de démontrer la distribution d'intrication dans un réseau reconfigurable comprenant jusqu'à 8 utilisateurs. Nous avons appliqué notre architecture à la distribution de clé quantique en montrant un faible taux d'erreurs et un haut taux de clé secrète sur une multitude de canaux fréquentiels en incluant les effets de taille finie, le tout à travers des lien fibrés à l'échelle métropolitaine. Enfin, nous avons illustré la flexibilité de notre architecture en adaptant l'allocation de bande passante à certaines contraintes du réseau telles que le déséquilibre entre les distances des liens inter-utilistateurs. L'ensemble de ces résultats montre le potentiel de la plateforme AlGaAs pour l'implémentation de technologies quantiques versatiles ainsi que leur intégration dans les futurs réseaux quantiques à grande échelle.
Dispositifs photoniques monolithiques et hybride III-V/Si pour l’information quantique Les états non classiques de la lumière sont des éléments clefs dans les sciences de l’information quantique. La maturité des technologies semi-conductrices offre un important potentiel en termes de dispositifs ultra-compacts, incluant la génération, manipulation et détection de bits quantiques photoniques. Dans ce contexte, ce travail de thèse est dédié à la réalisation de dispositifs photoniques monolithique III-V et hybrides III-V/Si pour les technologies de l’information quantique. Les sources de photons utilisées dans ces dispositifs sont fondées sur un processus d’optique non-linéaire, la conversion paramétrique spontanée, et peuvent être utilisées aussi bien comme sources de paires de photons que comme sources de photons uniques annoncés.Nous présentons d’abord l’intégration monolithique d’une source de photons uniques annoncés en AlGaAs avec un beamsplitter 50/50, fonctionnant à température ambiante, et dans la gamme des longueurs d’onde des télécommunications. Cela permet de réaliser une expérience de Hanbury-Brown and Twiss intégré, qui confirme la génération et manipulation de photons au sein du dispositif. Nous explorons ensuite la possibilité d’intégrer une source paramétrique en AlGaAs avec des guides d’ondes en Silicium sur isolant, afin de réaliser des dispositifs photoniques hybrides combinant les avantages des deux plateformes. Enfin, d’un point de vue plus fondamental, nous explorons numériquement comment faire de l’ingénierie des corrélations spectrales des paires de photon émises par nos sources pour générer des états « chats de Schrödinger », a l’aide d’une simple adaptation de l’expérience de Hong-Ou-Mandel