Challenges
Datasets
Workspaces
Papers
Discussions
Leaderboard
Log inSign up
Challenges
Datasets
Workspaces
Papers
Discussions
Leaderboard
Blog
Job Board
Q3AS

© 2026 Aqora Quantum S.A.S.

TermsPrivacyLegal Notice

Phase-based photonic signal processing for quantum state manipulation and analysis.

Benjamin Crockett

Published Jun 1, 2025• 0 citations
OpenAlex

Abstract

L’optique quantique explore la génération, la manipulation et la détection de la lumière au niveau du photon unique afin d’exploiter des effets non classiques tels que l’effondrement de la fonction d’onde, la superposition et l’intrication. La compréhension de ces phénomènes quantiques exotiques a permis d’obtenir une description plus complète de la nature et d’innover de nouvelles technologies, avec des avancées concrètes dans les communications sécurisées, l’informatique, le développement de nouveaux médicaments et matériaux, ainsi que dans les technologies de détection et de positionnement. En particulier, l’exploitation des degrés de liberté temporels et spectraux des photons offre une polyvalence exceptionnelle, une grande robustesse et des capacités d’information de hautes dimensions, ouvrant la voie à des percées aussi bien fondamentales que technologiques. Cependant, les pertes et le bruit restent des obstacles majeurs à la mise en oeuvre de technologies quantiques pratiques. Comme les états quantiques ne peuvent pas être amplifiés à la manière de signaux classiques, ils sont extrêmement sensibles à toute atténuation et perturbation. Qu’il s’agisse des photons parasites provenant de transmissions classiques qui copropagent dans les fibres optiques ou de la lumière solaire dans les communications quantiques par satellite, chaque expérience portant sur l’optique quantique demande qu’une attention toute particulière soit portée à gérer les sources de bruits optiques. Cette vulnérabilité impose l’utilisation de schémas de traitement à haute efficacité énergétique et rend la caractérisation des états intriqués de haute dimension, dont les spectres larges présentent des structures fines et complexes, particulièrement ardue. Dans cette thèse, je développe un cadre complet de manipulation de photons intriqués reposant sur des techniques de traitement purement à base de phase, représentant une étape importante vers des architectures de traitement d’états quantiques à haute efficacité énergétique. En premier lieu, je propose une description détaillée de l’évolution des corrélations temporelles de photons intriqués énergie-temps se propageant dans des milieux dispersifs, menant à une approche d’interférométrie quantique résiliente à la dispersion. Sur cette base, j’étends le concept classique de dualité espace-temps, initialement formulé pour des signaux classiques unidimensionnels, au profil conjoint bidimensionnel de photons intriqués en implémentant un système d’imagerie temporelle adapté aux paires de photons. En tirant parti de ces principes, je démontre des méthodes de redistribution cohérente de l’énergie capables d’atténuer le bruit dans les systèmes quantiques et de récupérer des états obscurcis par le bruit, comme le confirment des mesures d’inégalités de Bell et de tomographie d’état quantique. Enfin, j’introduis le spectrogramme quantique, une représentation inédite retraçant l’évolution des corrélations spectrales quantiques au cours du temps. Basée sur le spectrogramme à lentille temporelle, cette technique résout temporellement l’intensité spectrale conjointe de photons intriqués, permettant des mesures à haute résolution des corrélations spectrales et des phases corrélées, et facilitant ainsi la caractérisation d’états quantiques de hautes dimensions. Ensemble, ces travaux présentent un cadre robuste pour la manipulation d’états quantiques par manipulations de phases et contribuent au progrès des méthodes de caractérisation indispensables au déploiement de technologies quantiques pratiques. Quantum optics explores the generation, manipulation, and detection of light at the single-photon level to exploit nonclassical effects such as wave collapsing, superposition, and entanglement. Understanding exotic quantum effects has allowed to gain a more complete description of nature and develop new technologies with tangible advancements in secure communications, drug and material development, and improved sensing and positioning technologies. Specifically, exploiting the time and frequency degrees of freedom of photons offers exceptional versatility, robustness, and high-dimensional information capacities that has enabled fundamental and technological breakthroughs. Nevertheless, loss and noise remain a significant challenge for the development of practical quantum technologies. Since quantum states fundamentally cannot be amplified as classical signals can, they are extremely sensitive to being lost in noise, such as parasitic photons generated by co-propagating classical signals in optical fibers or stray light from the sun in quantum satellite communications. This also makes them require highly energy-efficient processing schemes, thereby limiting our ability to characterize them. This is most difficult for high-dimensional entangled quantum states, especially if they simultaneously exhibit broad spectral profiles with intricate fine-scale features. In this thesis, I develop a comprehensive framework for manipulating entangled photons using phase-only processing techniques representing an important building block towards energyefficient quantum state manipulation architectures. As a first contribution in this direction, I provide a detailed description of the evolution of temporal correlations in time-energy entangled photons travelling in dispersive media, leading to a dispersion-resilient approach for quantum interferometry. Building upon this, I extend the classical concept of space-time duality, initially described for onedimensional classical signals, to the two-dimensional joint profile of entangled photons by implementing a temporal imaging system for entangled photons. Leveraging these principles, I demonstrate coherent energy redistribution methods capable of mitigating noise in quantum systems, enabling the recovery of quantum states obscured by noise, as demonstrated namely through Bell inequality and quantum state tomography measurements. Finally, I introduce the quantum spectrogram, a novel representation capturing the evolution of quantum spectral correlations over time. Based on the time-lens spectrogram, this technique temporally resolves the joint spectral intensity of entangled photons, allowing for high-resolution measurements of both spectral correlations and correlated phases. Consequently, this facilitates characterization of high-dimensional quantum states. Together, this thesis presents a robust framework for phase-only quantum state manipulation, advancing state characterization methods essential for practical quantum technologies.

Related papers

Manipulation and Characterization of Multimode Quantum Light in Photonic Systems

Bakhao Dioum

Manipulation et caractérisation de la lumière quantique multimode dans les systèmes photoniques Cette thèse fait progresser l'optique quantique multimode à travers deux contributions théoriques et pratiques majeures.Premièrement, nous introduisons les cavités temporelles comme une nouvelle approche pour le filtrage des modes temporels, en exploitant les principes de dualité espace-temps pour transposer les principes des cavités de nettoyage de modes spatiaux au domaine temporel. Contrairement aux approches existantes, cette opération de filtrage ne repose pas sur des interactions non linéaires ou sur l'accord de phase, préserve la fréquence porteuse et maintient intacte la structure des modes temporels. Nous démontrons la faisabilité d'une implémentation pratique utilisant des lentilles temporelles électro-optiques et des réseaux de diffraction, avec des stratégies complètes d'optimisation des paramètres pour les applications classiques et quantiques.Deuxièmement, nous abordons les limitations fondamentales de la détection d'états quantiques à travers les interféromètres à effet mémoire (IME). Nous établissons de nouveaux critères pour prédire la compression cachée directement à partir des paramètres du système et développons de nouvelles méthodes de décomposition lisse pour implémenter des unitaires dépendant de la fréquence. Ces innovations permettent un appariement parfait des modes pour les états présentant des caractéristiques spectrales complexes et des supermodes morphants, qui sont plus courants que précédemment reconnu dans les systèmes quantiques basés sur des cavités. L'efficacité de notre approche est démontrée par des études de cas détaillées de configurations d'oscillateurs paramétriques optiques.

•Dec 20, 2024•0 citations

On-chip generation of high-dimensional entangled states of light

Saverio Francesconi

Génération sur puce d'états photoniques intriqués à haute dimension Les états non classiques de lumière sont des ressources clés pour les technologies de l'information quantique, grâce à leur facilité de transmission, leur robustesse à la décohérence et leur variété de degrés de liberté utilisables pour coder l'information. Dans ce contexte, cette thèse de doctorat est consacrée au développement de nouvelles sources semi-conductrices de paires de photons. En exploitant la grande flexibilité offerte par la conversion paramétrique spontanée (SPDC en anglais) dans les guides d'ondes AlGaAs, nous démontrons la génération et l'ingénierie d'états non classiques de lumière à haute dimension codés en fréquence. Tout d'abord, nous utilisons une source basée sur un accord de phase contra-propageant et démontrons que l'ingénierie du profil spatial (en intensité et phase) du faisceau de pompe permet de contrôler les corrélations spectrales et la symétrie de la fonction d'onde des paires de photons directement à la génération, sans aucune post-sélection. En particulier, la variation de la taille du faisceau de pompe permet de produire des états en fréquence corrélés, anti-corrélés et séparables en fréquence ; tandis que l'ingénierie du profil de phase spatial permet de passer d'une fonction d'onde spectrale symétrique à antisymétrique et ainsi de modifier la statistique d'échange des photons, comme démontré par interférométrie de Hong-Ou-Mandel. Nous avons aussi exploré des états quantiques encore plus complexes : en effet, nous démontrons que cette source, grâce à sa géométrie et à un traitement antireflet, peut émettre des paires de photons intriqués dans un degré de liberté hybride polarisation/fréquence. Nous développons ensuite un nouveau dispositif formé par un réseau de guides d'ondes non linéaires dessiné pour d'émettre des paires de photons intriqués dans des modes spatiaux grâce à l'effet des marches quantiques en cascade. Nous présentons l'optimisation des procédés de fabrication en salle blanche et des première caractérisation optiques de ce nouveau dispositif.

•Dec 14, 2020•0 citations

AlGaAs quantum photonics : from fundamental studies to applications in quantum information protocols

Othmane Meskine

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.

•Dec 20, 2024•0 citations

Génération et manipulation de photons uniques avec boîtes quantiques semi-conductrices

Lorenzo De Santis

Les phénomènes quantiques les plus fondamentaux comme la cohérence quantique et l’intrication sont aujourd'hui explorés pour réaliser de nouvelles technologies. C'est le domaine des technologies quantiques, qui promettent de révolutionner le calcul, la communication et la métrologie. En encodant l'information dans les systèmes quantiques, il serait possible de résoudre des problèmes inaccessibles aux ordinateurs classiques, de garantir une sécurité absolue dans les communications et de développer des capteurs dépassant les limites classiques de précision. Les photons uniques, en tant que vecteurs d'information quantique, ont acquis un rôle central dans ce domaine, car ils peuvent être manipulés facilement et être utilisés pour mettre en œuvre de nombreux protocoles quantiques. Pour cela, il est essentiel de développer des interfaces très efficaces entre les photons et les systèmes quantiques matériels, tels les atomes uniques, une fonctionnalité fondamentale à la fois pour la génération et la manipulation des photons. La réalisation de tels systèmes dans l'état solide permettrait de fabriquer des dispositifs quantiques intégrés et à large échelle. Dans ce travail de thèse, nous étudions l'interface lumière-matière réalisée par une boîte quantique unique, utilisée comme un atome artificiel, couplée de façon déterministe à une cavité de type micropilier. Un tel dispositif s'avère être un émetteur et un récepteur efficace de photons uniques, et il est utilisé ici pour implémenter des fonctionnalités quantiques de base. Tout d'abord, sous une excitation optique résonante, nous montrons comment nos composants sont des sources très brillantes de photons uniques. L’accélération de l'émission spontanée de la boîte quantique dans la cavité et le contrôle électrique de la structure permettent de générer des photons très indiscernables avec une très haute brillance. Cette nouvelle génération de sources de photons uniques peut être utilisée pour générer des états de photons intriqués en chemin appelés états NOON. Ces états intriqués sont des ressources importantes pour la détection de phase optique, mais leur caractérisation optique a été peu étudiée jusqu’à présent. Nous présentons une nouvelle méthode de tomographie pour caractériser les états de NOON encodés en chemin et implémentons expérimentalement cette méthode dans le cas de deux photons. Enfin, nous étudions le comportement de nos composants comme filtres non-linéaires de lumière. L'interface optimale entre la lumière et la boîte quantique permet l'observation d'une réponse optique non-linéaire au niveau d'un seul photon incident. Cet effet est utilisé pour démontrer le filtrage des états Fock à un seul photon à partir d’impulsions classiques incidentes. Ceci ouvre la voie à la réalisation efficace d’interactions effectives entre deux photons dans un système à l’état solide, une étape fondamentale pour surmonter les limitations dues au fonctionnement probabilistes des portes optiques linéaires.

•Mar 7, 2018•2 citations

Generation and manipulation of photonic states for quantum communication

Mohamed Faouzi Melalkia

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.

•Oct 24, 2022•0 citations

Generation and manipulation of photonic states for Quantum communication

Mohamed Faouzi Melalkia

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.

•Jan 1, 2022•0 citations
L’optique quantique explore la génération, la manipulation et la détection de la lumière au niveau du photon unique afin d’exploiter des effets non classiques tels que l’effondrement de la fonction d’onde, la superposition et l’intrication. La compréhension de ces phénomènes quantiques exotiques a permis d’obtenir une description plus complète de la nature et d’innover de nouvelles technologies, avec des avancées concrètes dans les communications sécurisées, l’informatique, le développement de nouveaux médicaments et matériaux, ainsi que dans les technologies de détection et de positionnement. En particulier, l’exploitation des degrés de liberté temporels et spectraux des photons offre une polyvalence exceptionnelle, une grande robustesse et des capacités d’information de hautes dimensions, ouvrant la voie à des percées aussi bien fondamentales que technologiques. Cependant, les pertes et le bruit restent des obstacles majeurs à la mise en oeuvre de technologies quantiques pratiques. Comme les états quantiques ne peuvent pas être amplifiés à la manière de signaux classiques, ils sont extrêmement sensibles à toute atténuation et perturbation. Qu’il s’agisse des photons parasites provenant de transmissions classiques qui copropagent dans les fibres optiques ou de la lumière solaire dans les communications quantiques par satellite, chaque expérience portant sur l’optique quantique demande qu’une attention toute particulière soit portée à gérer les sources de bruits optiques. Cette vulnérabilité impose l’utilisation de schémas de traitement à haute efficacité énergétique et rend la caractérisation des états intriqués de haute dimension, dont les spectres larges présentent des structures fines et complexes, particulièrement ardue. Dans cette thèse, je développe un cadre complet de manipulation de photons intriqués reposant sur des techniques de traitement purement à base de phase, représentant une étape importante vers des architectures de traitement d’états quantiques à haute efficacité énergétique. En premier lieu, je propose une description détaillée de l’évolution des corrélations temporelles de photons intriqués énergie-temps se propageant dans des milieux dispersifs, menant à une approche d’interférométrie quantique résiliente à la dispersion. Sur cette base, j’étends le concept classique de dualité espace-temps, initialement formulé pour des signaux classiques unidimensionnels, au profil conjoint bidimensionnel de photons intriqués en implémentant un système d’imagerie temporelle adapté aux paires de photons. En tirant parti de ces principes, je démontre des méthodes de redistribution cohérente de l’énergie capables d’atténuer le bruit dans les systèmes quantiques et de récupérer des états obscurcis par le bruit, comme le confirment des mesures d’inégalités de Bell et de tomographie d’état quantique. Enfin, j’introduis le spectrogramme quantique, une représentation inédite retraçant l’évolution des corrélations spectrales quantiques au cours du temps. Basée sur le spectrogramme à lentille temporelle, cette technique résout temporellement l’intensité spectrale conjointe de photons intriqués, permettant des mesures à haute résolution des corrélations spectrales et des phases corrélées, et facilitant ainsi la caractérisation d’états quantiques de hautes dimensions. Ensemble, ces travaux présentent un cadre robuste pour la manipulation d’états quantiques par manipulations de phases et contribuent au progrès des méthodes de caractérisation indispensables au déploiement de technologies quantiques pratiques. Quantum optics explores the generation, manipulation, and detection of light at the single-photon level to exploit nonclassical effects such as wave collapsing, superposition, and entanglement. Understanding exotic quantum effects has allowed to gain a more complete description of nature and develop new technologies with tangible advancements in secure communications, drug and material development, and improved sensing and positioning technologies. Specifically, exploiting the time and frequency degrees of freedom of photons offers exceptional versatility, robustness, and high-dimensional information capacities that has enabled fundamental and technological breakthroughs. Nevertheless, loss and noise remain a significant challenge for the development of practical quantum technologies. Since quantum states fundamentally cannot be amplified as classical signals can, they are extremely sensitive to being lost in noise, such as parasitic photons generated by co-propagating classical signals in optical fibers or stray light from the sun in quantum satellite communications. This also makes them require highly energy-efficient processing schemes, thereby limiting our ability to characterize them. This is most difficult for high-dimensional entangled quantum states, especially if they simultaneously exhibit broad spectral profiles with intricate fine-scale features. In this thesis, I develop a comprehensive framework for manipulating entangled photons using phase-only processing techniques representing an important building block towards energyefficient quantum state manipulation architectures. As a first contribution in this direction, I provide a detailed description of the evolution of temporal correlations in time-energy entangled photons travelling in dispersive media, leading to a dispersion-resilient approach for quantum interferometry. Building upon this, I extend the classical concept of space-time duality, initially described for onedimensional classical signals, to the two-dimensional joint profile of entangled photons by implementing a temporal imaging system for entangled photons. Leveraging these principles, I demonstrate coherent energy redistribution methods capable of mitigating noise in quantum systems, enabling the recovery of quantum states obscured by noise, as demonstrated namely through Bell inequality and quantum state tomography measurements. Finally, I introduce the quantum spectrogram, a novel representation capturing the evolution of quantum spectral correlations over time. Based on the time-lens spectrogram, this technique temporally resolves the joint spectral intensity of entangled photons, allowing for high-resolution measurements of both spectral correlations and correlated phases. Consequently, this facilitates characterization of high-dimensional quantum states. Together, this thesis presents a robust framework for phase-only quantum state manipulation, advancing state characterization methods essential for practical quantum technologies.
Manipulation et caractérisation de la lumière quantique multimode dans les systèmes photoniques Cette thèse fait progresser l'optique quantique multimode à travers deux contributions théoriques et pratiques majeures.Premièrement, nous introduisons les cavités temporelles comme une nouvelle approche pour le filtrage des modes temporels, en exploitant les principes de dualité espace-temps pour transposer les principes des cavités de nettoyage de modes spatiaux au domaine temporel. Contrairement aux approches existantes, cette opération de filtrage ne repose pas sur des interactions non linéaires ou sur l'accord de phase, préserve la fréquence porteuse et maintient intacte la structure des modes temporels. Nous démontrons la faisabilité d'une implémentation pratique utilisant des lentilles temporelles électro-optiques et des réseaux de diffraction, avec des stratégies complètes d'optimisation des paramètres pour les applications classiques et quantiques.Deuxièmement, nous abordons les limitations fondamentales de la détection d'états quantiques à travers les interféromètres à effet mémoire (IME). Nous établissons de nouveaux critères pour prédire la compression cachée directement à partir des paramètres du système et développons de nouvelles méthodes de décomposition lisse pour implémenter des unitaires dépendant de la fréquence. Ces innovations permettent un appariement parfait des modes pour les états présentant des caractéristiques spectrales complexes et des supermodes morphants, qui sont plus courants que précédemment reconnu dans les systèmes quantiques basés sur des cavités. L'efficacité de notre approche est démontrée par des études de cas détaillées de configurations d'oscillateurs paramétriques optiques.
Génération sur puce d'états photoniques intriqués à haute dimension Les états non classiques de lumière sont des ressources clés pour les technologies de l'information quantique, grâce à leur facilité de transmission, leur robustesse à la décohérence et leur variété de degrés de liberté utilisables pour coder l'information. Dans ce contexte, cette thèse de doctorat est consacrée au développement de nouvelles sources semi-conductrices de paires de photons. En exploitant la grande flexibilité offerte par la conversion paramétrique spontanée (SPDC en anglais) dans les guides d'ondes AlGaAs, nous démontrons la génération et l'ingénierie d'états non classiques de lumière à haute dimension codés en fréquence. Tout d'abord, nous utilisons une source basée sur un accord de phase contra-propageant et démontrons que l'ingénierie du profil spatial (en intensité et phase) du faisceau de pompe permet de contrôler les corrélations spectrales et la symétrie de la fonction d'onde des paires de photons directement à la génération, sans aucune post-sélection. En particulier, la variation de la taille du faisceau de pompe permet de produire des états en fréquence corrélés, anti-corrélés et séparables en fréquence ; tandis que l'ingénierie du profil de phase spatial permet de passer d'une fonction d'onde spectrale symétrique à antisymétrique et ainsi de modifier la statistique d'échange des photons, comme démontré par interférométrie de Hong-Ou-Mandel. Nous avons aussi exploré des états quantiques encore plus complexes : en effet, nous démontrons que cette source, grâce à sa géométrie et à un traitement antireflet, peut émettre des paires de photons intriqués dans un degré de liberté hybride polarisation/fréquence. Nous développons ensuite un nouveau dispositif formé par un réseau de guides d'ondes non linéaires dessiné pour d'émettre des paires de photons intriqués dans des modes spatiaux grâce à l'effet des marches quantiques en cascade. Nous présentons l'optimisation des procédés de fabrication en salle blanche et des première caractérisation optiques de ce nouveau dispositif.
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.
Les phénomènes quantiques les plus fondamentaux comme la cohérence quantique et l’intrication sont aujourd'hui explorés pour réaliser de nouvelles technologies. C'est le domaine des technologies quantiques, qui promettent de révolutionner le calcul, la communication et la métrologie. En encodant l'information dans les systèmes quantiques, il serait possible de résoudre des problèmes inaccessibles aux ordinateurs classiques, de garantir une sécurité absolue dans les communications et de développer des capteurs dépassant les limites classiques de précision. Les photons uniques, en tant que vecteurs d'information quantique, ont acquis un rôle central dans ce domaine, car ils peuvent être manipulés facilement et être utilisés pour mettre en œuvre de nombreux protocoles quantiques. Pour cela, il est essentiel de développer des interfaces très efficaces entre les photons et les systèmes quantiques matériels, tels les atomes uniques, une fonctionnalité fondamentale à la fois pour la génération et la manipulation des photons. La réalisation de tels systèmes dans l'état solide permettrait de fabriquer des dispositifs quantiques intégrés et à large échelle. Dans ce travail de thèse, nous étudions l'interface lumière-matière réalisée par une boîte quantique unique, utilisée comme un atome artificiel, couplée de façon déterministe à une cavité de type micropilier. Un tel dispositif s'avère être un émetteur et un récepteur efficace de photons uniques, et il est utilisé ici pour implémenter des fonctionnalités quantiques de base. Tout d'abord, sous une excitation optique résonante, nous montrons comment nos composants sont des sources très brillantes de photons uniques. L’accélération de l'émission spontanée de la boîte quantique dans la cavité et le contrôle électrique de la structure permettent de générer des photons très indiscernables avec une très haute brillance. Cette nouvelle génération de sources de photons uniques peut être utilisée pour générer des états de photons intriqués en chemin appelés états NOON. Ces états intriqués sont des ressources importantes pour la détection de phase optique, mais leur caractérisation optique a été peu étudiée jusqu’à présent. Nous présentons une nouvelle méthode de tomographie pour caractériser les états de NOON encodés en chemin et implémentons expérimentalement cette méthode dans le cas de deux photons. Enfin, nous étudions le comportement de nos composants comme filtres non-linéaires de lumière. L'interface optimale entre la lumière et la boîte quantique permet l'observation d'une réponse optique non-linéaire au niveau d'un seul photon incident. Cet effet est utilisé pour démontrer le filtrage des états Fock à un seul photon à partir d’impulsions classiques incidentes. Ceci ouvre la voie à la réalisation efficace d’interactions effectives entre deux photons dans un système à l’état solide, une étape fondamentale pour surmonter les limitations dues au fonctionnement probabilistes des portes optiques linéaires.
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.
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.