Les photons intriqués forment une ressource précieuse pour la distribution quantique de clés et l’implémentation de réseaux quantiques flexibles. Cet article présente les dernières avancées réalisées avec des sources AlGaAs intégrées, exploitant la fluorescence paramétrique pour générer des photons intriqués en polarisation ou en énergietemps. Ces dispositifs combinent une large bande spectrale, une brillance élevée et une forte intégrabilité, permettant de progresser vers le déploiement hors-laboratoire des communications quantiques.
Les photons intriqués forment une ressource précieuse pour la distribution quantique de clés et l’implémentation de réseaux quantiques flexibles. Cet article présente les dernières avancées réalisées avec des sources AlGaAs intégrées, exploitant la fluorescence paramétrique pour générer des photons intriqués en polarisation ou en énergietemps. Ces dispositifs combinent une large bande spectrale, une brillance élevée et une forte intégrabilité, permettant de progresser vers le déploiement hors-laboratoire des communications quantiques.
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 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).
Dispositifs photoniques hybrides III-V/SI pour l'information quantique Les technologies quantiques photoniques représentent une plateforme prometteuse pour diverses applications de l'information quantique, allant des communications longue distance à la simulation de phénomènes complexes. D'une part, les avantages offerts par les photons comme support pour l'information quantique (résistance à la décohérence, propagation sur de très longues distances, large choix de degrés de liberté pour encoder l'information) en font le choix privilégié pour de nombreuses applications relatives aux communications quantiques. D'autre part, l'émergence de la photonique quantique intégrée a conduit à la démonstration de la manipulation de photons sur des circuits complexes avec une stabilité de phase quasi parfaite. Parmi les nombreuses plates-formes explorées, les puces de silicium sur isolant (SOI), déjà utilisées dans de nombreuses applications de photonique intégré, disposent d'un large éventail de composants optiques intégrés matures, ainsi que d'une compatibilité aux procédés de fabrication industriels (CMOS) essentielle pour la diffusion à grande échelle de ces technologies. Si cette plateforme semble se prêter parfaitement pour la manipulation et la détection sur puces de photons uniques, la génération efficace et compacte d'états non classique de la lumière lui fait aujourd'hui encore défaut. Au contraire, les puces semi-conductrices AlGaAs se distinguent par leur fort potentiel pour réaliser des sources d'états non classique de lumière, grâce à leur forte non-linéarité et leur gap direct permettant à la fois une bonne efficacité et une grande intégrabilité de ces sources. Cherchant à tirer profil de la complémentarité entre ces deux plateformes, ce travail présente le développement d'une source hybride de paires de photons télécom à large bande spectrale composé d'un guide d'ondes AlGaAs basé sur des réflecteurs de Bragg directement intégré sur un guide d'onde de silicium. Cette source prend en charge deux des trois types d'accords de phase (ADP) autorisés par la structure cristalline, offrant ainsi une grande polyvalence dans la polarisation des photons émis pour diverses applications. Ce travail détaille de nombreuses stratégies de couplage dites évanescentes pour le transfert de mode optique des photons jumeaux générés dans l'AlGaAs vers le silicium. Les procédés de fabrication en salle blanche de la structure hybride sont ensuite détaillés, avec notamment la stratégie visant à reporter la plateforme AlGaAs sur la plateforme SOI. Finalement la structure hybride est caractérisée en termes de transmission optique, de réponse non linéaire et de génération de paires de photons, pour évaluer la non-classicité de l'état à deux photons généré, une mesure de l'intrication énergie-temps est réalisée à l'aide d'un interféromètre de Franson en fibre optique en configuration repliée. L'étude de la visibilité de l'intrication énergie-temps permet de démontrer la nature quantique des états générés par des visibilités dépassant 92 %, observées pour les processus de génération de type 0 et de type 2. Cette visibilité élevée, associée à la résistance intrinsèque aux perturbations de l'environnement, positionne cette source hybride comme une ressource précieuse pour les applications 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).
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.
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.