Les réseaux quantiques améliorent les systèmes de communication quantique et établissent des connexions entre plusieurs noeuds grâce à la distribution de ressources quantiques, par exemple des états intriqués. Les photons constituent d'excellents porteurs d'information quantique, car ils peuvent transporter ces ressources quantiques à travers des fibres optiques, où les fluctuations environnementales et les pertes optiques sont réduites. L'exploitation d'états quantiques de haute dimension, appelés qudits, permet un transfert d'informations plus dense et une meilleure résistance au bruit que l'utilisation des qubits, leurs équivalents binaires. Passer des qubits aux qudits conduit généralement à plus de complexité expérimentale. L'information quantique peut être encodées dans plusieurs degrés de liberté du photon. On souhaite que l'encodage soit compatible avec les architectures de réseaux quantiques à fibre optique. L'encodage en fréquence est robuste face aux fluctuations de phase ou de polarisation et compatible avec l'infrastructure fibrée existante, tout en permettant l'accès à un espace de Hilbert de haute dimension. Les qudits encodés en fréquence sont manipulés à l'aide de dispositifs fibrés commerciaux, tels que les modulateurs électro-optiques, ce qui permet en outre la parallélisation des opérations. Dans cette thèse de doctorat, nous utilisons des états de Bell encodés en fréquence de dimension d=2 (qubits) et d=3 (qutrits). Nous réalisons une preuve de concept d'un réseau de distribution de clés quantiques basé sur l'intrication, et nous comparons différentes méthodes pour démontrer l'échange d'intrication dans le domaine fréquentiel. Nous utilisons un résonateur spiralé en silicium comme source paramétrique de paires de photons via un mélange à quatre ondes. Nous démontrons un peigne de fréquences et l'accès à 80 modes de fréquentiels. Nous sélectionnons 21 liaisons quantiques capables de transférer des qubits ou des qutrits encodés en 'bins' de fréquence à l'aide d'un seul dispositif expérimental. Nous évaluons et optimisons la source - via la puissance de pompage -, le traitement du signal - via la taille de la fenêtre de coïncidence - et la dimension des qu-d-its jusqu'à d=5 afin de maximiser les performances du réseau quantique de distribution de clés. Nous proposons ainsi une stratégie adaptative pour augmenter le débit d'informations sécurisées transmises en tirant parti de la capacité de codage dense des états quantiques de haute dimension et en bénéficiant du rapport signal sur bruit plus élevé des qubits. Nous montrons qu'on peut ainsi communiquer jusqu'à une distance simulée de 295 km. Nous comparons des méthodes pour démontrer un protocole d'échange d'intrication encodé en fréquence. L'échange d'intrication est une primitive pour les répéteurs quantiques permettant d'augmenter encore la portée de communication. Pour générer une intrication en fréquence entre des photons n'ayant jamais interagi, nous considérons deux paires de photons non corrélées dans le peigne de fréquences en utilisant des modes de fréquence alternés. Nous proposons deux méthodes pour faire interférer des photons provenant des paires de photons distinctes, transférant ainsi l'intrication aux deux photons restants, qui n'ont pas interagi.
Les réseaux quantiques améliorent les systèmes de communication quantique et établissent des connexions entre plusieurs noeuds grâce à la distribution de ressources quantiques, par exemple des états intriqués. Les photons constituent d'excellents porteurs d'information quantique, car ils peuvent transporter ces ressources quantiques à travers des fibres optiques, où les fluctuations environnementales et les pertes optiques sont réduites. L'exploitation d'états quantiques de haute dimension, appelés qudits, permet un transfert d'informations plus dense et une meilleure résistance au bruit que l'utilisation des qubits, leurs équivalents binaires. Passer des qubits aux qudits conduit généralement à plus de complexité expérimentale. L'information quantique peut être encodées dans plusieurs degrés de liberté du photon. On souhaite que l'encodage soit compatible avec les architectures de réseaux quantiques à fibre optique. L'encodage en fréquence est robuste face aux fluctuations de phase ou de polarisation et compatible avec l'infrastructure fibrée existante, tout en permettant l'accès à un espace de Hilbert de haute dimension. Les qudits encodés en fréquence sont manipulés à l'aide de dispositifs fibrés commerciaux, tels que les modulateurs électro-optiques, ce qui permet en outre la parallélisation des opérations. Dans cette thèse de doctorat, nous utilisons des états de Bell encodés en fréquence de dimension d=2 (qubits) et d=3 (qutrits). Nous réalisons une preuve de concept d'un réseau de distribution de clés quantiques basé sur l'intrication, et nous comparons différentes méthodes pour démontrer l'échange d'intrication dans le domaine fréquentiel. Nous utilisons un résonateur spiralé en silicium comme source paramétrique de paires de photons via un mélange à quatre ondes. Nous démontrons un peigne de fréquences et l'accès à 80 modes de fréquentiels. Nous sélectionnons 21 liaisons quantiques capables de transférer des qubits ou des qutrits encodés en 'bins' de fréquence à l'aide d'un seul dispositif expérimental. Nous évaluons et optimisons la source - via la puissance de pompage -, le traitement du signal - via la taille de la fenêtre de coïncidence - et la dimension des qu-d-its jusqu'à d=5 afin de maximiser les performances du réseau quantique de distribution de clés. Nous proposons ainsi une stratégie adaptative pour augmenter le débit d'informations sécurisées transmises en tirant parti de la capacité de codage dense des états quantiques de haute dimension et en bénéficiant du rapport signal sur bruit plus élevé des qubits. Nous montrons qu'on peut ainsi communiquer jusqu'à une distance simulée de 295 km. Nous comparons des méthodes pour démontrer un protocole d'échange d'intrication encodé en fréquence. L'échange d'intrication est une primitive pour les répéteurs quantiques permettant d'augmenter encore la portée de communication. Pour générer une intrication en fréquence entre des photons n'ayant jamais interagi, nous considérons deux paires de photons non corrélées dans le peigne de fréquences en utilisant des modes de fréquence alternés. Nous proposons deux méthodes pour faire interférer des photons provenant des paires de photons distinctes, transférant ainsi l'intrication aux deux photons restants, qui n'ont pas interagi.
Contribution aux réseaux de communications quantiques avec des photons intriqués en fréquence par des résonateurs en Silicium Les réseaux quantiques améliorent les systèmes de communication quantique et établissent des connexions entre plusieurs noeuds grâce à la distribution de ressources quantiques, par exemple des états intriqués. Les photons constituent d'excellents porteurs d'information quantique, car ils peuvent transporter ces ressources quantiques à travers des fibres optiques, où les fluctuations environnementales et les pertes optiques sont réduites. L'exploitation d'états quantiques de haute dimension, appelés qudits, permet un transfert d'informations plus dense et une meilleure résistance au bruit que l'utilisation des qubits, leurs équivalents binaires. Passer des qubits aux qudits conduit généralement à plus de complexité expérimentale. L'information quantique peut être encodées dans plusieurs degrés de liberté du photon. On souhaite que l'encodage soit compatible avec les architectures de réseaux quantiques à fibre optique. L'encodage en fréquence est robuste face aux fluctuations de phase ou de polarisation et compatible avec l'infrastructure fibrée existante, tout en permettant l'accès à un espace de Hilbert de haute dimension. Les qudits encodés en fréquence sont manipulés à l'aide de dispositifs fibrés commerciaux, tels que les modulateurs électro-optiques, ce qui permet en outre la parallélisation des opérations. Dans cette thèse de doctorat, nous utilisons des états de Bell encodés en fréquence de dimension d=2 (qubits) et d=3 (qutrits). Nous réalisons une preuve de concept d'un réseau de distribution de clés quantiques basé sur l'intrication, et nous comparons différentes méthodes pour démontrer l'échange d'intrication dans le domaine fréquentiel. Nous utilisons un résonateur spiralé en silicium comme source paramétrique de paires de photons via un mélange à quatre ondes. Nous démontrons un peigne de fréquences et l'accès à 80 modes de fréquentiels. Nous sélectionnons 21 liaisons quantiques capables de transférer des qubits ou des qutrits encodés en 'bins' de fréquence à l'aide d'un seul dispositif expérimental. Nous évaluons et optimisons la source - via la puissance de pompage -, le traitement du signal - via la taille de la fenêtre de coïncidence - et la dimension des qu-d-its jusqu'à d=5 afin de maximiser les performances du réseau quantique de distribution de clés. Nous proposons ainsi une stratégie adaptative pour augmenter le débit d'informations sécurisées transmises en tirant parti de la capacité de codage dense des états quantiques de haute dimension et en bénéficiant du rapport signal sur bruit plus élevé des qubits. Nous montrons qu'on peut ainsi communiquer jusqu'à une distance simulée de 295 km. Nous comparons des méthodes pour démontrer un protocole d'échange d'intrication encodé en fréquence. L'échange d'intrication est une primitive pour les répéteurs quantiques permettant d'augmenter encore la portée de communication. Pour générer une intrication en fréquence entre des photons n'ayant jamais interagi, nous considérons deux paires de photons non corrélées dans le peigne de fréquences en utilisant des modes de fréquence alternés. Nous proposons deux méthodes pour faire interférer des photons provenant des paires de photons distinctes, transférant ainsi l'intrication aux deux photons restants, qui n'ont pas interagi.
Implémentation des protocoles pour des réseaux quantiques photoniques Cette thèse s'inscrit dans le domaine de l'information quantique, avec un accent particulier sur les réseaux de communication quantique. L'objectif de ces réseaux est de permettre le développement de nouvelles technologies fondamentales en facilitant la communication quantique entre des parties distantes, menant ainsi à un Internet quantique. Ces réseaux permettent la transmission de bits quantiques (qubits) sur de longues distances, rendant possibles des tâches qui sont prouvablement irréalisables par tout réseau de communication classique. De plus, la capacité à générer de l'intrication entre des sites distants constitue une puissante plateforme pour l'étude fondamentale de la nature. Les ressources photoniques sont au cœur de l'infrastructure des réseaux quantiques, car elles offrent le moyen optimal de communication entre les nœuds du réseau. Dans cette thèse, nous mettons en œuvre une plateforme photonique capable de générer des états de Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) de haute fidélité à des longueurs d'onde télécom, dans une configuration compacte et évolutive. Notre source repose sur la conversion paramétrique spontanée dans un interféromètre de Sagnac multicouche, nécessitant un seul cristal non linéaire. Ce design permet la génération de paires de photons hautement indistinguables, conduisant ainsi à des états intriqués multipartites de haute qualité. Grâce à cette source, nous réalisons la première démonstration expérimentale de certification d'état quantique indépendante du dispositif dans un régime non-IID. Cette tâche constitue un élément fondamental pour la communication et le calcul quantiques, car elle permet de déterminer si les parties impliquées peuvent faire confiance aux ressources utilisées ou si l'application doit être interrompue. Nous étudions également l'efficacité d'échantillonnage de ce protocole et analysons comment il peut être exploité pour un traitement de l'information quantique robuste et fiable. En outre, nous explorons la confidentialité des parties individuelles dans un protocole de détection quantique distribuée en certifiant les états intriqués partagés au sein du réseau.
En information quantique, un encodage sur les degrés de liberté temps et fréquence donne accès à un espace de Hilbert de grande dimension pour les états photoniques ce qui autorise le traitement en parallèle d'un grand nombre de qubits voire de qudits. C'est dans ce cadre que se situe cette thèse sur la génération et la manipulation d'états quantiques photoniques aux longueurs d'onde télécom. Nous présentons trois réalisations. La première est la génération efficace de paires de photons par processus non-linéaire du second et du troisième ordre dans des sources intégrées innovantes : un guide en niobate de lithium sur isolant, en couche mince et à inversion de domaines periodique, et un micro-résonateur en silicium sur isolant possédant un intervalle spectral libre de 21 GHz. La deuxième est le développement de concepts, de modèles et d'optimisations numériques pour la manipulation de qubits et qudits photoniques dans les espaces temps fréquence avec des éléments linéaires. Nous utilisons des filtres programmables (PF) et des modulateurs de phase électro-optiques (EOM). Nous comparons les performances théoriques de portes à 1 qubit pour deux configurations de composants [EOM-PF-EOM] et [PF-EOM-PF] dans les deux types d'encodage temps et fréquence. La troisième est la démonstration expérimentale d'une telle manipulation de qubits fréquentiels issus du microrésonateur en Silicium. Nous utilisons la configuration [EOM-PF-EOM] pour implémenter une porte quantique reconfigurable et accordable. Un seul paramètre variable permet de passer d'une porte identité à une porte Hadamard, ainsi qu'à un continuum de portes intermédiaires. Nous démontrons la parallélisation de 34 de ces portes appliquées à 17 états à deux qubits intriqués en fréquence générés par le résonateur. Nous utilisons ensuite ces portes pour réaliser la tomographie quantique des états intriqués et pour mettre en oeuvre un protocole de distribution de clef quantique basé sur l'intrication des deux photons en fréquence. Nous faisons finalement la démonstration inédite d'un réseau multi-utilisateur sans nœuds sécurisés en encodage fréquentiel. Cette expérience constitue une preuve de principe pour la distribution de clé quantique dans le domaine fréquentiel avec un débit de 2 bits par seconde en simultané pour chacune des paires d'utilisateurs dans un réseau de 5 utilisateurs.
Traitement quantique de l'information dans le domaine des fréquences d'états photoniques quantiques multimodes générés par des sources intégrées aux longueurs d'ondes télécom En information quantique, un encodage sur les degrés de liberté temps et fréquence donne accès à un espace de Hilbert de grande dimension pour les états photoniques ce qui autorise le traitement en parallèle d'un grand nombre de qubits voire de qudits. C'est dans ce cadre que se situe cette thèse sur la génération et la manipulation d'états quantiques photoniques aux longueurs d'onde télécom. Nous présentons trois réalisations. La première est la génération efficace de paires de photons par processus non-linéaire du second et du troisième ordre dans des sources intégrées innovantes : un guide en niobate de lithium sur isolant, en couche mince et à inversion de domaines periodique, et un micro-résonateur en silicium sur isolant possédant un intervalle spectral libre de 21 GHz. La deuxième est le développement de concepts, de modèles et d'optimisations numériques pour la manipulation de qubits et qudits photoniques dans les espaces temps fréquence avec des éléments linéaires. Nous utilisons des filtres programmables (PF) et des modulateurs de phase électro-optiques (EOM). Nous comparons les performances théoriques de portes à 1 qubit pour deux configurations de composants [EOM-PF-EOM] et [PF-EOM-PF] dans les deux types d'encodage temps et fréquence. La troisième est la démonstration expérimentale d'une telle manipulation de qubits fréquentiels issus du microrésonateur en Silicium. Nous utilisons la configuration [EOM-PF-EOM] pour implémenter une porte quantique reconfigurable et accordable. Un seul paramètre variable permet de passer d'une porte identité à une porte Hadamard, ainsi qu'à un continuum de portes intermédiaires. Nous démontrons la parallélisation de 34 de ces portes appliquées à 17 états à deux qubits intriqués en fréquence générés par le résonateur. Nous utilisons ensuite ces portes pour réaliser la tomographie quantique des états intriqués et pour mettre en oeuvre un protocole de distribution de clef quantique basé sur l'intrication des deux photons en fréquence. Nous faisons finalement la démonstration inédite d'un réseau multi-utilisateur sans nœuds sécurisés en encodage fréquentiel. Cette expérience constitue une preuve de principe pour la distribution de clé quantique dans le domaine fréquentiel avec un débit de 2 bits par seconde en simultané pour chacune des paires d'utilisateurs dans un réseau de 5 utilisateurs.
Dans cette thèse de doctorat, nous étudions des caractéristiques clés du traitement optique de l'information quantique, à savoir la possibilité d'effectuer des interférences quantiques et de générer de l'intrication avec plusieurs photons. Nous utilisons une boite quantique (QD) à base de semi-conducteurs intégrée dans une cavité optique monolithique de type micropiliers comme source efficace de photons uniques, purs et indiscernables. En interfaçant ces sources de photons uniques très performantes avec des circuits photoniques en verre reconfigurables fabriqués par micro-usinage laser femtoseconde, nous manipulons jusqu'à quatre photons sur puce. Nous explorons d'abord la mesure de l'indiscernabilité à plusieurs photons, une tâche non triviale un état avec n>2 photons. Elle est définie comme le recouvrement de l'état à plusieurs photons avec l'état pur constitué de n photons identiques. Nous utilisons un interféromètre reconfigurable qui possède N=2n modes et inclut un réseau cyclique de séparateurs de faisceau pour quantifier de manière expérimentale l'indiscernabilité d'un état à 4 photons sur une version intégrée à 8 modes de cet interféromètre. Nous mesurons une indiscernabilité à 4 photons de 0,81±0,003, ce qui constitue une première valeur de référence et un point de repère pour les futures mesures de l'indiscernabilité à 4 photons. Ensuite, nous démontrons la génération haute fidélité et à haute efficacité d'un état GHZ quadri-partie sur puce, et nous réalisons une première preuve de principe d'une application concrète en démontrant un protocole de partage de secret quantique quadri-partie. Nous avons atteint une fidélité de F=86 % par rapport à l'état GHZ cible et une pureté d'état de P=76,3 %. Nous avons certifié l'intrication de l'état généré avec une approche semi-indépendante du dispositif à 39 écarts types près. Dans notre protocole de distribution de clés quantiques, nous atteignons un QBER de 10,87 %, juste en dessous du seuil de 11 % nécessaire pour garantir une communication sécurisée. Enfin, nous étudions l'interférence de photons générés par deux sources indépendantes de photons uniques brillants accordables électriquement et fabriquées de manière déterministe à l'aide de la technique de lithographie in situ. Nous mesurons l'interférence à deux photons de quatre paires de sources de photons uniques en utilisant des schémas d'excitation pulsée. En utilisant une excitation résonante, nous montrons que nous pouvons atteindre jusqu'à V =54.8±1 % sans aucun filtrage spectral, et V=69±1 % lorsque les photons uniques sont filtrés pour réduire l'impact du bruit de charge.
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.