Ce travail de these a porte sur la conception et la demonstration d'une source semiconductrice de photons jumeaux contrapropageants pour l'information quantique. De nombreux criteres rendent cette source prometteuse : integrabilite, compacite, fonctionnement a temperature ambiante, efficacite de collection et largeur spectrale des photons generes, controle aise du degre de correlation en frequence. . . Plusieurs de ces atouts decoulent naturellement de la geometrie originale du dispositif : les photons sont generes par Fluorescence Parametrique dans un guide d'onde constitue d'un milieu non-lineaire, pompe optiquement par le dessus du guide. L'idee a de ce travail est l'integration d'une microcavite pour le faisceau de pompe a une structure basee sur la geometrie contrapropageante afin d'optimiser les performances de la source resultante. Apres une breve introduction aux sources pour l'information quantique est presentee une etude complete des proprietes du dispositif qui a abouti au dessin d'une structure optimisee. Les echantillons realises ont ete caracterises via des mesures de pertes de propagation des modes guides et des experiences de generation de seconde harmonique. Une experience de Fluorescence Parametrique a ete ensuite menee afin d'estimer les performances de la nouvelle source. L'integration d'une microcavite verticale a notamment permis d'augmenter de deux ordres de grandeur l'efficacite de conversion parametrique du dispositif. La qualite des etats quantiques generes a ete verifiee via l'experience de Hong-Ou-Mandel qui constitue un test d'indistinguabilite entre deux photons. La bonne visibilite mesuree ouvre la voie a un grand nombre d'experiences.
Ce travail de these a porte sur la conception et la demonstration d'une source semiconductrice de photons jumeaux contrapropageants pour l'information quantique. De nombreux criteres rendent cette source prometteuse : integrabilite, compacite, fonctionnement a temperature ambiante, efficacite de collection et largeur spectrale des photons generes, controle aise du degre de correlation en frequence. . . Plusieurs de ces atouts decoulent naturellement de la geometrie originale du dispositif : les photons sont generes par Fluorescence Parametrique dans un guide d'onde constitue d'un milieu non-lineaire, pompe optiquement par le dessus du guide. L'idee a de ce travail est l'integration d'une microcavite pour le faisceau de pompe a une structure basee sur la geometrie contrapropageante afin d'optimiser les performances de la source resultante. Apres une breve introduction aux sources pour l'information quantique est presentee une etude complete des proprietes du dispositif qui a abouti au dessin d'une structure optimisee. Les echantillons realises ont ete caracterises via des mesures de pertes de propagation des modes guides et des experiences de generation de seconde harmonique. Une experience de Fluorescence Parametrique a ete ensuite menee afin d'estimer les performances de la nouvelle source. L'integration d'une microcavite verticale a notamment permis d'augmenter de deux ordres de grandeur l'efficacite de conversion parametrique du dispositif. La qualite des etats quantiques generes a ete verifiee via l'experience de Hong-Ou-Mandel qui constitue un test d'indistinguabilite entre deux photons. La bonne visibilite mesuree ouvre la voie a un grand nombre d'experiences.
Ce travail porte sur la conception et la caractérisation de sources semiconductrices d'états à deux photons pour l'information quantique intégrée. Ces dispositifs, basés sur la fluorescence paramétrique dans des guides d'onde en AlGaAs, émettent des paires de photons à température ambiante aux longueurs d'onde des télécommunications. La première source est une diode laser émettrice de photons jumeaux, basée sur un accord de phase modal entre un mode laser de Bragg à 775 nm injecté électriquement et les modes de photons télécom au sein du même guide d'onde. Nous détaillons le design de la structure, sa caractérisation optique linéaire et non linéaire et son comportement sous injection de courant. L'obtention de l'émission laser et de la génération de seconde harmonique sur un même dispositif ouvre la voie vers une source ultra-compacte de paires de photons. Le second dispositif étudié repose sur une géométrie de pompage transverse où un faisceau laser incident sur le dessus du guide génère deux photons télécom guidés et contrapropageants. Nous explorons la grande versatilité de l'état quantique des paires générées par cette source, avec notamment les possibilités d'ingénierie de l'état dans le domaine fréquenciel offertes par cette géométrie. Nous présentons également la première démonstration expérimentale d'états intriqués en polarisation obtenue avec ce dispositif, ainsi qu'un modèle permettant de calculer la qualité de l'intrication à partir des distributions spatiales et spectrales du faisceau de pompe. Ces sources d'états non classiques, compactes et injectables électriquement, sont d'excellents candidats pour les implémentations photoniques de l'information quantique.
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).
Ressources quantiques à variable continue aux longueurs d'onde de télécommunication Les réseaux quantiques à variables continues constituent une ressource précieuse pour un large éventail de protocoles de communication et de traitement de l'information quantiques. Le multiplexage en fréquence et le multiplexage temporel rapide permettent la mise en œuvre d'architectures quantiques évolutives, dans ce cadre une caractérisation précise des sources de lumière comprimée multimode est essentielle. Dans ce travail, nous augmentons à la fois la résolution spectrale et les valeurs de compression mesurées. Ces deux paramètres sont déterminants pour l'amélioration de la génération des états dits cluster, une ressource clé pour le calcul quantique basé sur la mesure. Notre source repose sur la conversion paramétrique descendante dans un guide d'onde en PPKTP, pompé par un laser pulsé. La source génère des états comprimés sur un ensemble spécifique de spectres optiques. L'augmentation de la résolution spectrale dans une détection homodyne résolue spectralement nous a permis d'améliorer la compression par mode spectral, en la faisant passer de 1 dB à plus de 2,4 dB dans le premier mode, lors de mesures effectuées avec un détecteur homodyne de largeur de bande de quelques MHz. Dans un second temps, nous avons mis en œuvre une caractérisation impulsion par impulsion de la ressource à l'aide d'un détecteur homodyne rapide dont la bande passante électronique est de l'ordre du taux de répétition du laser (100 MHz). Cette approche a permis de mettre en évidence des valeurs de compression allant jusqu'à 1,5 dB dans les premiers modes spectraux. Afin d'accéder pleinement à la ressource quantique multimode et, à terme, d'augmenter le niveau de compression mesuré, une efficacité quantique élevée est requise. Pour éviter les limitations dues à un mauvais recouvrement spatial entre la ressource quantique et l'oscillateur local en détection homodyne, nous avons mis en place un schéma de façonnage du front d'onde permettant de caractériser et de contrôler à la fois le profil d'intensité et la phase de l'oscillateur local. Lors de tests préliminaires, cette approche a permis d'augmenter le recouvrement entre le faisceau de référence et le signal quantique de plus de 8 %, tout en fournissant simultanément une caractérisation détaillée de la forme du faisceau et de l'influence de la transmission du guide d'onde sur le profil du faisceau. Pour obtenir un avantage réel en traitement de l'information quantique par rapport aux protocoles classiques, la génération d'états non gaussiens est nécessaire. Nous présentons donc un schéma complet pour la création d'états non gaussiens dans un système multimode par addition et soustraction sélectives d'un photon, mises en œuvre via des processus optiques non linéaires dans des matériaux non linéaires du second ordre. Nous introduisons un cadre de simulation appliqué à notre source de compression, qui peut également être adapté à d'autres régimes. Sur la base de ce cadre, nous sommes en mesure de prédire des configurations spécifiques de guides d'onde permettant un contrôle complet des états quantiques générés tout en conservant une pureté élevée, chaque processus présentant un nombre de Schmidt proche de K=1, correspondant à un adressage effectif monomode.
Une source efficace de photons uniques et indiscernables Dans les domaines des communications quantiques et du calcul quantique, la transmission d'information à l'aide de photons uniques garantis la sécurité de la communication et permet la mise en œuvre de calculs irréalisables avec nos ordinateurs « classiques ». L'un des éléments primordiaux à la réalisation de tels protocoles est la source de photons. Elle doit émettre, à la demande, un et un seul photon aux propriétés quantiques déterminées.L'objectif de ce projet de thèse est de caractériser une source de photons uniques et indiscernables, conçue et fabriquée au CEA-Grenoble, et qui consiste en une boite quantique semiconductrice d'arséniure d'indium (InAs) intégrée à une nanocavité d'arséniure de gallium (GaAs). Présentant un faible facteur de qualité, la nanocavité permet l'extraction efficace de photons sur une grande plage de longueurs d'ondes (30nm). De plus, grâce à son petit volume de mode, l'émission spontanée des boites quantiques en son sein peut être accélérée par un effet Purcell pouvant aller jusqu'à 6.Dans ce manuscrit de thèse, nous détaillons tout d'abord la mise en place et l'optimisation des dispositifs expérimentaux utilisés pour caractériser les photons émis par notre échantillon : Micro-photoluminescence, mesure du temps de vie radiatif, expérience Hanbury-Brown et Twiss (HBT) et expérience Hong-Ou-Mandel (HOM). Ensuite, nous présentons les résultats expérimentaux obtenus pour les photons émis par deux boites quantiques distinctes : L'une contenant des états d'excitons neutres, et la seconde, un état d'exciton chargé. Afin de photo-créer ces états d'excitons dans les boites quantiques, deux dispositifs d'excitation optique impulsionnelle ont été mis en place : L'excitation résonante à deux photons du biexciton neutre, et l'excitation quasi-résonante assistée par phonons longitudinaux acoustiques de l'exciton neutre et de l'exciton chargé. Nous présentons la mesure des trois figures de mérite d'une source de photon unique pour ces deux boites quantiques : La brillance, l'unicité des photons émis et leur indiscernabilité. Dans un second temps, nous nous intéresserons particulièrement à l'état d'exciton chargé et mesurerons le profil de sa raie d'émission et sa fonction d'autocorrélation sous excitation résonante continue. Ces résultats, réalisés au sein du groupe de nano-photonique de l'université de Bâle, constituent la première démonstration d'excitation continue sur ces nanostructures, ce qui est une agréable surprise étant donné leur petite taille.Pour terminer, nous nous pencherons sur l’effet de l’application de contraintes mécaniques sur la séparation en énergie des deux états de l’exciton neutre, appelée la « séparation de structure fine ». Lors de la cascade radiative de l’état du biexciton neutre, les deux photons émis sont intriqués en polarisation, et la fidélité de l’intrication dépend notamment de la séparation de structure fine. Nous étudierons ici un second échantillon, où les boites quantiques InAs sont intégrées à un microfil photonique de GaAs. En faisant fléchir le microfil, des contraintes mécaniques sont appliquées sur les boites quantiques, ce qui a pour effet de modifier l’énergie des états de l'excitons. Nous présenterons une étude expérimentale visant à observer un possible effet sur la séparation de structure fine.En conclusion, nous avons développé et optimisé divers dispositifs expérimentaux permettant la caractérisation de sources de photons pour des applications dans le domaine des communications quantiques et du calcul quantique. Pour une première version de ces nanostructure photonique, la brillance, l'unicité de l'émission et l'indiscernabilité des photons émis par nos boites quantiques intégrées dans des nanocavités sont très encourageantes pour la suite. Les prochains objectifs portent sur l'amélioration des nanocavités et sur la caractérisation plus approfondie des phénomènes de décohérence et du couplage mécanique entre les boites quantiques et ces structures.
Ce manuscrit porte sur l’étude théorique de techniques expérimentales récemment développées pour réaliser des protocoles d’information quantique en variables continues. Les états Gaussiens multi-modes produits par conversion paramétrique de peignes de fréquences optiques jouent un rôle centrale dans ce travail. Ce phénomène permet de générer de façon déterministe un grand nombre d’états Gaussiens de la lumière. L’état de sortie peut ensuite être de-Gaussifié par soustraction ou addition d’un photon dans une superposition cohérente de modes du champ, puis mesuré par détection homodyne. La thèse est organisée en trois projets principaux. Le premier concerne l’optimisation du spectre du laser de pompe pour manipuler l’état de sortie de la conversion paramétrique. Nous avons développé les outils mathématiques pour traiter des profils spectraux avec amplitude et phase spectrales arbitraires. On a ensuite utilisé un algorithme d’optimisation pour trouver les spectres maximisant des différentes propriétés de l’état de sortie. Une importance particulière est donnée à la production d’"états cluster" en variables continues. Les optimisations ont été développées pour prendre en compte les limitations expérimentales pour assurer la faisabilité des forme spectrales dans les expériences. Dans le deuxième projet nous avons étudié comment les états non-Gaussiens obtenus par soustraction d’un photon d’un état comprimé peuvent être utilisés pour le calcul quantique. Nous proposons un protocole inspiré par le paradigme de "calcul quantique basé sur la mesure" qui combine l’état de-Gaussifié et la mesure homodyne pour approximer des opérateurs unitaires non-Gaussiens. On montre que les mêmes résultats peuvent être obtenus avec des mesure projectives sur des états de photon unique. Finalement, le troisième projet porte sur le partage de secret quantique ("quantum secret sharing"). Dans les protocoles de partage de secret quantique un donneur veut distribuer de l’information codée dans un système quantique à plusieurs joueurs d’une façon qui oblige des sous-ensembles de joueurs à collaborer s’ils veulent retrouver l’information originale. Nous avons développé un protocole qui peut être transféré aux expériences de notre groupe et nous avons participé à la formulation d’une preuve de concept expérimentale. À partir de cela, nous avons dérivé des résultats généraux sur le partage et la reconstruction d’états arbitraires de la lumière en utilisant des ressources Gaussiennes.
Emission de lumière non-classique par des cavités à cristaux photoniques La photonique quantique intégrée promet d'amener l'optique quantique vers un dispositif pratique. L'objectif principal de ce domaine est d'atteindre une intégration évolutive pour diverses applications, notamment l'informatique quantique, la simulation, la communication et la détection. Dans un circuit quantique, des photons, qui portent l'état quantique, sont générés, manipulés à l'aide de composants linéaires et non linéaires, puis détectés. L'objectif de cette étude doctorale est de contribuer au développement de sources de lumière non classique efficaces et évolutives, pour la génération d'intrication, de photons uniques et d'états comprimés. À cette fin, nous introduisons une nouvelle classe de sources basée sur des résonateurs à cristaux photoniques (PhC) et nous démontrons des performances à l'état de l'art en termes d'efficacité et de « footprint ». Les cavités PhC ont été envisagées pour l'optique quantique sans toutefois atteindre des performances suffisantes. Par conséquent, les micro-disques et anneaux ont été couramment utilisés comme sources pour la photonique quantique intégrée.Encouragés par la démonstration des premières oscillations paramétriques optiques (OPO) utilisant une cavité à cristaux photoniques, nous avons exploré l'application potentielle de cette technologie dans le domaine de l'optique quantique. En dessous du seuil, l'OPO génère des paires de photons corrélées grâce à un processus paramétrique spontané, en particulier le mélange à quatre ondes spontané. Les OPO sont couramment utilisés pour générer des paires de photons intriqués et des états « squeezés ». Il est crucial que la cavité contienne trois modes equi-espacés qui correspondent aux fréquences des photons en interaction, car cela garantit une efficacité maximale.Deux géométries de cavités à cristaux photoniques ont été considérées : Nanobeam et Bichromatic, toutes deux constituées de phosphure d'indium-gallium. Le principal résultat est la génération ultra-efficace de paires de photons corrélés dans le temps. Cela confirme nos attentes fondées sur le seuil ultra-bas de l'OPO. En tenant compte de l'état de l'art, nous montrons que l'efficacité est proportionnelle au volume d'interaction dans la cavité. Par conséquent, l'origine de l'efficacité très élevée réside dans le volume très réduit des cavités à cristaux photoniques. De plus, cela implique également une « footprint » réduite sur la puce, ce qui favorise la « scalabilité ». Nous avons ensuite caractérisé davantage les propriétés des photons générés, notamment l'intrication temps-énergie, l'émission de photons uniques annoncés et l'émission de paires de photons en régime pulsé, une étape essentielle vers la démonstration de l'intrication dit « time-bin ». De plus, des étapes préliminaires ont été entreprises pour générer des états comprimés à deux modes. En outre, nous avons également étudié la dynamique classique au-dessus du seuil OPO en échantillonnant son espace de paramètres grâce à des mesures effectuées sur un grand nombre de dispositifs. Cela nous a permis d'établir une condition pour le fonctionnement de l'OPO, en accord avec un modèle mettant en avant le rôle limitant de l'absorption non linéaire. Nous avons également mis en évidence des instabilités potentielles dans le fonctionnement de l'OPO. Enfin, nous avons commencé à aborder la question de la « scalabilité » en réalisant une analyse statistique sur plus de 650 cavités afin d'étudier l'impact des tolérances de fabrication.Ainsi, nous avons démontré des sources quantiques à base de cavités à cristaux photoniques avec un niveau exceptionnel d'efficacité. Cela suggère une nouvelle approche prometteuse pour le développement de sources évolutives au sein des circuits quantiques intégrés.