Afin de pouvoir œuvrer vers un réseau de communication quantique, il est primordial de limiter les ressources nécessaires. En particulier, nous montrons ici que l’on peut utiliser une source unique de paires de photons intriqués, pour desservir un grand nombre d’utilisateurs. Ceci implique que la source en question soit à large bande spectrale d’émission, et compatible avec les infrastructures actuelles de télécommunication optique. Dans un premier temps nous avons étudié une source de photons corrélés, basée sur la fluorescence paramétrique. A partir des valeurs expérimentales mesurées (coups et coïncidences), une borne maximale de la visibilité que l’on pourra obtenir en intrication est calculée ainsi que la brillance. Un facteur de qualité est établi afin de comparer et classer les démultiplexeurs testés par rapport au compromis entre la qualité des corrélations quantiques et la brillance de la source. La deuxième partie consiste à caractériser une source de photons intriqués en polarisation. L’intrication a été réalisée en effectuant un double passage dans un cristal de PPLN, générant un état de type |Φ> =(1/√2)(|HH> +|VV>) . Les photons des paires générées sont aussi séparés par démultiplexage en longueur d’onde. Des mesures de visibilités et du paramètre de Bell S sont effectuées. Les performances des démultiplexeurs sont comparées à celles prévues avec les photons jumeaux. Nous montrons qu’il est possible à partir d’une source unique, d’établir un canal quantique de communication avec au moins 3 couples d’utilisateurs en simultané. Nous proposons à la fin de cette étude, diverses méthodes d’amélioration.
Afin de pouvoir œuvrer vers un réseau de communication quantique, il est primordial de limiter les ressources nécessaires. En particulier, nous montrons ici que l’on peut utiliser une source unique de paires de photons intriqués, pour desservir un grand nombre d’utilisateurs. Ceci implique que la source en question soit à large bande spectrale d’émission, et compatible avec les infrastructures actuelles de télécommunication optique. Dans un premier temps nous avons étudié une source de photons corrélés, basée sur la fluorescence paramétrique. A partir des valeurs expérimentales mesurées (coups et coïncidences), une borne maximale de la visibilité que l’on pourra obtenir en intrication est calculée ainsi que la brillance. Un facteur de qualité est établi afin de comparer et classer les démultiplexeurs testés par rapport au compromis entre la qualité des corrélations quantiques et la brillance de la source. La deuxième partie consiste à caractériser une source de photons intriqués en polarisation. L’intrication a été réalisée en effectuant un double passage dans un cristal de PPLN, générant un état de type |Φ> =(1/√2)(|HH> +|VV>) . Les photons des paires générées sont aussi séparés par démultiplexage en longueur d’onde. Des mesures de visibilités et du paramètre de Bell S sont effectuées. Les performances des démultiplexeurs sont comparées à celles prévues avec les photons jumeaux. Nous montrons qu’il est possible à partir d’une source unique, d’établir un canal quantique de communication avec au moins 3 couples d’utilisateurs en simultané. Nous proposons à la fin de cette étude, diverses méthodes d’amélioration.
Afin de pouvoir œuvrer vers un réseau de communication quantique, il est primordial de limiter les ressources nécessaires. En particulier, nous montrons ici que l’on peut utiliser une source unique de paires de photons intriqués, pour desservir un grand nombre d’utilisateurs. Ceci implique que la source en question soit à large bande spectrale d’émission, et compatible avec les infrastructures actuelles de télécommunication optique. Dans un premier temps nous avons étudié une source de photons corrélés, basée sur la fluorescence paramétrique. A partir des valeurs expérimentales mesurées (coups et coïncidences), une borne maximale de la visibilité que l’on pourra obtenir en intrication est calculée ainsi que la brillance. Un facteur de qualité est établi afin de comparer et classer les démultiplexeurs testés par rapport au compromis entre la qualité des corrélations quantiques et la brillance de la source. La deuxième partie consiste à caractériser une source de photons intriqués en polarisation. L’intrication a été réalisée en effectuant un double passage dans un cristal de PPLN, générant un état de type |Φ> =(1/√2)(|HH> +|VV>) . Les photons des paires générées sont aussi séparés par démultiplexage en longueur d’onde. Des mesures de visibilités et du paramètre de Bell S sont effectuées. Les performances des démultiplexeurs sont comparées à celles prévues avec les photons jumeaux. Nous montrons qu’il est possible à partir d’une source unique, d’établir un canal quantique de communication avec au moins 3 couples d’utilisateurs en simultané. Nous proposons à la fin de cette étude, diverses méthodes d’amélioration.
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.
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.
L’intrication quantique est une ressource importante pour l’avancée scientifique et l’information quantique. En optique quantique, il est possible de construire des états intriqués de multiples photons, permettant leur utilisation pour diverses applications. La génération expérimentale de paires de photons intriqués est, à notre époque, assez simple. La fluorescence paramétrique, parmi d’autres, peut être utilisée pour produire des paires de photons intriqués en polarisation. Cependant, la fluorescence paramétrique ne produit que des paires de photons intriqués et pour certaines applications, il est nécessaire d’avoir des états intriqués de plus de deux photons. Dans ces cas cette méthode est insuffisante. Alors pour créer des triplets de photons intriqués, nous allons avoir besoin de recourir à d’autres méthodes. Une méthode bien connue consiste à faire interférer deux paires de photons intriqués à l’aide d’un réseau de plusieurs séparateurs de faisceaux et de sélectionner certaines mesures après la prise de données pour exclure les événements non-intriqués.[1] Ces montages sont parfois avantageux puisqu’ils permettent la création d’états intriqués comportant un nombre important de photons.[2, 3] Cependant, il y a des lacunes importantes; la nécessité de la nécessité de la sélection à posteriori proscrivant, pour certaines applications, l’utilisation de cette méthode.[4] Il existe cependant une autre méthode, pour les états intriqués d’un faible nombre de photons, qui consiste à utiliser la fluorescence paramétrique sur un des photons d’une paire de photons intriqués elle aussi produite par fluorescence paramétrique. C’est-à-dire, avoir un second stade de fluorescence paramétrique après le premier pour convertir un des photons d’une paire intriquée en une seconde paire, pour avoir comme résultat final un triplet de photons intriqués. Ce processus, nommé fluorescence paramétrique en cascade, donnera naissance à deux applications qui feront l’objet de cette thèse. La création d’états intriqués par fluorescence paramétrique en cascade à premièrement été proposée en 1990.[5] En 2010, la création de triples de photons non-intriqués fut démontrée dans un article qui suggérait que ces triplets de photons pouvaient également être intriqués.[6] Des montages expérimentaux basés sur cette méthode ont ensuite démontré la production de triplets intriqués en polarisation[7] et en énergie-tempsl[8] Des montagnes permettent la cascade hybride, où la fluorescence paramétrique est pompée d’un autre processus d’optique nonlinéaire.[9] Des études démontrent également qu’il est possible de créer des triplets de photons intriqués produits par fluorescence paramétrique en cascade dans un seul cristal,[9, 10] et que l’on pourrait, d’après des résultats théoriques, avoir un contrôle quasi absolu sur les corrélations spectrales des photons en changeant les paramètres de ce cristal.[11] Nous allons ici, comme travail original, discuter de deux applications utilisant la fluorescence paramétrique en cascade. La fluorescence paramétrique en cascade sera premièrement utilisée pour améliorer les sources de photons uniques annoncés. Il sera démontré, par le biais d’un développement analytique et d’une simulation numérique, que le caractère de photon unique de ces sources (quantifié par la fonction de corrélation de second ordre) peut être amélioré de façon significative en régime où le taux de production de photons annoncés est faible, c’est-à-dire, où les détections parasite des détecteurs de photons uniques est non-négligeable.[12] La seconde sera une amélioration du processus de génération de triplets de photons intriqués en polarisation,[7] où un interféromètre de Mach-Zehnder sera remplacé par un interféromètre de Sagnac pour créer un montage dont la phase est intrinsèquement stable.
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.
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.