3. Atomes et photons uniques : échange d’information quantique

Robin Kaiser, Michèle Leduc, Hélène Perrin

A. Beveratos

L'échange sécurisé d'une clé secrète entre deux interlocuteurs est une tâche compliquée. Dans un monde " classique ", il n'est pas possible de garantir qu'un espion n'a pas effectué une copie de cette clé lors de son échange. En 1984, un protocole basé sur les propriétés de la mécanique quantique a démontré la possibilité d'un échange inconditionnellement sûr d'une clé secrète entre deux interlocuteurs. Idéalement, le protocole utilise une source de photons uniques. L'information est alors codée, par exemple sur la polarisation des photons. La sécurité est garantie par un choix aléatoire de la base de polarisation (Linéaire, Circulaire). Dans ce contexte, cette étude porte sur la réalisation d'une source de photons uniques et son application à la cryptographie quantique. Une source de photons uniques est obtenue par l'excitation impulsionnelle d'un dipôle unique. Le dipôle étudié dans ce travail est le centre NV dans le cristal de diamant. Il est constitué d'un atome d'azote (N) et d'une lacune (V) en substitution dans la maille cristalline du diamant. L'étude sous excitation continue de ce dipôle, à l'aide d'un microscope confocal et d'un montage d'autocorrélation d'intensité, montre que de par sa simplicité d'utilisation et de sa photostabilité intrinsèque, il est un candidat de choix pour une source de photons uniques. En excitation impulsionnelle, on démontre que la source de photons uniques ainsi produite présente une grande efficacité de production de photons, et un très faible taux d'impulsions contenant deux photons. Finalement, cette source été utilisée dans un montage de cryptographie quantique. Après une description des dispositifs expérimentaux de l'émetteur et du récepteur, nous décrivons en détail l'échange de clé quantique. Les résultats obtenus montrent un avantage quantitatif dans le taux de pertes admissibles en ligne en comparaison avec des prototypes basés sur une source cohérente atténuée.

Bernard J. Paris

M. Halder

Cette thèse est consacrée à l'étude expérimentale de communications quantiques dans les fibres optiques. L'objectif prinicipal est d'implémenter une expérience permettant un échange d'enchevêtrement dans une configuration de relais quantique. Cette expérience est la première réalisation d'échange d'enchevêtrement avec deux sources de paires de photons autonomes. Une nouvelle source continue de paires de photons enchevêtrés avec un long temp de cohérence a été édéveloppée dans ce but. Nous montrons les performances des détecteurs de phton unique aux longueurs d'onde télécoms, basés sur les supraconducteurs. Leurs résolutions temporelles sont bien meilleures que la longueur de cohérence de nos paires de photons enchevêtrés. Ceci permet la synchronisation de photons indépendants lors d'une mesure jointe (e.g. mesure d'état de Bell), mesure indispensable pour réaliser un échange d'enchevêtrement. Pour montrer la faisabilité et la précision d'une telle synchronisation, une expérience de Hong-Ou-Mandel avec des sources continues indépendantes est présentée.

Sean Bailly

Laurence Pruvost, Thierry Ruchon

\nUn vortex optique est un faisceau laser dont le front d’onde est hélicoïdal. Il est donc chiral, d’hélicité gauche ou droite selon le sens de l’hélice. En plus du moment angulaire de spin qui correspond à la polarisation, les photons possèdent aussi un moment angulaire orbital (OAM) qui est quantifié et caractérise l'hélicité du vortex.\nL’interaction non linéaire de vortex optiques avec des atomes conduit à l’échange d’OAM avec l‘ensemble atomique et la génération de nouveaux vortex. Les propriétés quantiques de ces vortex sont une ressource exploitable dans le cadre des technologies quantiques comme le stockage et le codage de l’information.\n