Ce mémoire présente l'étude et la réalisation expérimentale de deux sources de paires de photons, intriqués en énergie-temps et en « time-bins », basées sur un guide d'ondes intégré sur un substrat de niobate de lithium polarisé périodiquement (PPLN). Dans les deux cas, les photons jumeaux sont créés par génération paramétrique à la longueur d'onde dégénérée de 1310 nm autorisant leur transport par fibre optique télécom. Le guide PPLN montre une efficacité de conversion supérieure à 10-6, correspondant à une amélioration de 4 ordres de grandeur par rapport aux générateurs massifs. Même pompé par de faibles puissances, il présente une probabilité significative de créer deux paires simultanément ce qui est un avantage essentiel pour certains protocoles de communication quantique. Nous proposons à cet effet deux méthodes de caractérisation de la probabilité de créer une paire par photon de pompe (régime continu) ou par impulsion laser. Afin d'examiner la qualité des états enchevêtrés, deux expériences d'interférométrie ont montré des taux de contraste respectifs de 97 % et de 84 % pour les intrications en énergie-temps et en time-bins. Bien que ce dernier taux puisse être amélioré, ces résultats montrent le fort potentiel des guides PPLN pour devenir l'un des éléments clés des futurs protocoles de communication quantique.
Ce mémoire présente l'étude et la réalisation expérimentale de deux sources de paires de photons, intriqués en énergie-temps et en « time-bins », basées sur un guide d'ondes intégré sur un substrat de niobate de lithium polarisé périodiquement (PPLN). Dans les deux cas, les photons jumeaux sont créés par génération paramétrique à la longueur d'onde dégénérée de 1310 nm autorisant leur transport par fibre optique télécom. Le guide PPLN montre une efficacité de conversion supérieure à 10-6, correspondant à une amélioration de 4 ordres de grandeur par rapport aux générateurs massifs. Même pompé par de faibles puissances, il présente une probabilité significative de créer deux paires simultanément ce qui est un avantage essentiel pour certains protocoles de communication quantique. Nous proposons à cet effet deux méthodes de caractérisation de la probabilité de créer une paire par photon de pompe (régime continu) ou par impulsion laser. Afin d'examiner la qualité des états enchevêtrés, deux expériences d'interférométrie ont montré des taux de contraste respectifs de 97 % et de 84 % pour les intrications en énergie-temps et en time-bins. Bien que ce dernier taux puisse être amélioré, ces résultats montrent le fort potentiel des guides PPLN pour devenir l'un des éléments clés des futurs protocoles de communication quantique.
Cette these presente l’etude et la realisation d’une experience d’interference a deux photons de type Hong-Ou-Mandel appele aussi coalescence des photons. L’originalite de notre travail reside dans l’utilisation de deux sources de photons uniques annoncees independantes dont le fonctionnement requiert l’utilisation de guides d’ondes integres sur un substrat de niobate de lithium polarise periodiquement (PPLN). Les photons acteurs de l’interference sont crees par generation parametrique a la longueur d’onde de 1550 nm nous assurant ainsi une compatibilite avec le reseau des fibres optiques telecom. Les guides PPLN presentent l’avantage majeur d’avoir une forte efficacite de conversion, mais ils permettent egalement de recolter aisement les photons a l’aide d’une fibre optique. Le travail effectue nous a conduit a etudier le comportement des guides dans differents regimes de fonctionnement : continu et impulsionnel. En effet, comparativement aux experiences de coalescence realises part le passe, nous avons choisi de travailler en regime picoseconde afin de faciliter l’obtention de l’interference en regard de la synchronisation electronique et du filtrage a effectue. Les visibilites obtenus (99%) sont proches des limites theoriques et ces resultats montrent que le protocole experimental mis en place peut devenir l’un des elements cles des futurs protocoles des communications quantiques utilisant les phenomenes de coalescence.
Les guides optiques intégrés sur du niobate de lithium polarisé périodiquement (guides PPLN), associés aux composants télécoms standards, constituent aujourd'hui l'une des principales ressources technologiques pour les expériences de communication quantique fibrées. En effet, la structure guidante offre à la fois un bon couplage avec les fibres optiques et un fort confinement des ondes pour l'obtention d'effets non linéaires exacerbés. D'une part, le régime de conversion paramétrique a permis l'obtention de sources de paires de photons intriqués ultra-efficaces et utiles aux protocoles de cryptographie quantique, mais aussi de téléportation et permutation d'intrication qui sont à la base des relais quantiques. D'autre part, le régime de génération de fréquence somme entre un laser de pompe et un photon télécom a ouvert une nouvelle voie pour la détection infrarouge, ainsi que pour le couplage entre lignes de distribution d'information quantique et mémoires quantiques atomiques opérant dans le visible. Dans ce cadre, nous introduirons les relais quantiques employés pour étendre la portée des réseaux de communication quantique. Nous détaillerons deux expériences menées au laboratoire, l'une consistant en un relais dans la configuration de permutation d'intrication, et l'autre sous la forme d'une "puce relais" dédiée au protocole de téléportation via l'intégration de plusieurs fonctions telles qu'un générateur de paires de photons et coupleurs directionnels à contrôle électro-optique.
Cette thèse présente l'étude et la réalisation de différents éléments clés pour la communication quantique longue distance. Pour cela, nous tirons parti de l'optique intégré sur de niobate de lithium, qui permet de mettre en exergue les propriétés non-linéaire de ce matériau. Après une brève introduction sur l'information quantique nous permettant de mettre en avant les enjeux actuels du domaine, nous nous intéressons à la réalisation de trois sources de paires de photons intriqués sur les observables polarisation (2) et time-bin (1), émettant aux longueurs d'onde des télécommunications. Ces réalisations font parties des meilleures sources actuelles aussi bien en terme de brillance que de qualité d'intrication mesurée, le tout alliant compacité et simplicité d'utilisation. Dans un second temps, nous présentons l'élaboration et la mise en oeuvre d'un relais quantique entièrement intégré. Pour cette réalisation, nous avons mergé au sein d'un même composant, pour la première fois, deux effets non-linéaires, l'un optique-optique pour la génération de paires de photons intriqués, et l'autre électro-optique pour le routage contrôlablé des photons. Une expérience d'interférence à deux photons entre un photon émis par la puce et un photon issu d'une source externe nous a permis de valider notre approche en obtenant une visibilité de 79% en accord avec les prédictions théoriques. Cette puce peut devenir un élément clé de la communication quantique car il permet d'accroître les distances de communication par un facteur 1.8.
L'augmentation des distances de communication quantique passe par le développement de nouvelles sources de photons uniques et de paires de photons intriqués de plus en plus efficaces et émettant aux longueurs d'ondes des télécommunications. Ceci permet la transmission des photons à l'aide de fibres optiques avec un minimum de pertes à la propagation. Un deuxième élément clef pour l'augmentation des distances de communication est l'amélioration des détecteurs de photons uniques afin d'en réduire le bruit des détecteurs et d'augmenter leur efficacité. Actuellement, avec les technologies disponibles, les dis- tances maximales réalisables, avec une simple source de photons uniques, sont d'environ une centaine de kilo- mètres. L'utilisation de relais quantiques, basés sur le principe de téléportation d'état, permet d'améliorer le rapport signal sur bruit par l'augmentation du nombre de détecteurs. Ainsi, on peut acheminer de l'information sur de plus grandes distances, au détriment du signal. Pour réaliser un tel relai, nous avons besoin d'une source de paires de photons intriqués et d'un coupleur 50/50, comme le montre la FIG. 1. Pour cela nous pro- posons d'exploiter la technologie de l'optique intégrée permettant la réalisation d'une puce optique sur niobate de lithium autorisant la fonction relai quantique. Comme le montre la FIG. 2, une zone périodiquement polarisée suivit d'un coupleur 50/50 permet de générer les paires de photons intriqués. Puis, un deuxième coupleur 50/50 permet d'effectuer la mesure d'état de Bell. Cette puce présente l'avantage d'être très compacte (~5 cm), stable et facilement intégrable au sein d'un réseau de communication fibré, comme on peut le faire actuellement avec des commutateurs standards intégrés sur niobate de lithium. Nous montrerons les caractérisations classiques de la puce en ce qui concerne la génération de fluorescence paramétrique et le contrôle électro-optique des coupleurs. Par ailleurs, nous discuterons les premiers résultats relatifs à l'obtention d'une interférence à deux photons de type HOM au niveau du deuxième coupleur. Ces résultats prometteurs confirment la pertinence de notre approche.
Les communications quantiques (QC) longues distances sont tributaires de l'existence de sources efficaces de photons uniques dont la longueur d'onde doit être adaptée aux communications dans les fibres optiques (1550nm). Ce manuscrit présente l'étude et la réalisation expérimentale d'une source de photons uniques annoncés, basée sur l'utilisation de paires de photons issues d'un guide d'onde intégré sur un substrat de niobate de lithium polarisé périodiquement (PPLN). Le principe repose sur la séparation des photons d'une paire et la détection de l'un sert à annoncer la présence de l'autre. Aussi, ce guide d'onde nous permet de venir récolter les paires de photons simplement à l'aide d'une fibre optique monomode, gage de compacité et stabilité de la source. L'intervalle de temps entre deux paires successives n'étant pas définit, cette source présente un fonctionnement dit « asynchrone ». Afin de caractériser les performances de ce type de source, nous proposons deux méthodes expérimentales originales. La première repose sur un modèle d'analyse des statistiques des détections dans un montage de type « Hanburry Brown & Twiss » pour remonter aux probabilités d'avoir 0, 1 ou 2 photons, tandis que la seconde est une « version asynchrone » du montage original de « Hanburry Brown & Twiss » pour tracer la fonction de corrélation croisée du second-ordre. Les performances de cette première source de photons uniques aux longueurs d'ondes télécom se situent parmi les meilleures au monde avec une probabilité d'avoir un photon unique à 1550nm de 0,37 accompagnée d'une réduction des événements à deux photons d'un facteur 12 par rapport à une source poissonnienne équivalente.
Cette thèse présente l'étude et la réalisation de différents éléments clés pour la communication quantique longue distance. Pour cela, nous tirons parti de l'optique intégré sur niobate de lithium, qui permet de mettre en exergue les propriétés non-linéaires de ce matériau. Après une brève introduction sur l'information quantique, nous permettant de mettre en avant les enjeux actuels du domaine, nous nous intéressons à la réalisation de trois sources de paires de photons intriqués sur les observables polarisation (2) et time-bin (1), émettant aux longueurs d'onde des télécommunications. Ces réalisations font partie des meilleures sources actuelles aussi bien en termes de brillance que de qualité d'intrication mesurée, le tout alliant compacité et simplicité d'utilisation. Dans un second temps, nous présentons l'élaboration et la mise en oeuvre d'un relais quantique entièrement intégré dédié à l'augmentation des distances de communication. Pour ce faire, nous avons mergé au sein d'un même composant, et ce pour la première fois, deux effets non-linéaires, l'un optique-optique pour la génération de paires de photons intriqués, et l'autre électro-optique pour le routage contrôlable des photons. Une expérience d'interférence à deux photons entre un photon émis par la puce et un photon issu d'une source externe nous a permis de valider notre approche en obtenant une visibilité d'interférence de 79%, en parfait accord avec les prédictions théoriques. Cette puce peut devenir un élément clé de la communication quantique car elle permet d'accroître les distances de communication par un facteur 1.8.