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Distribution multi-utilisateur de paires de photons intriqués aux longueurs d'onde des télécommunications

Joe Ghalbouni

Published Nov 15, 2013• 0 citations
Publisher

Abstract

Afin de pouvoir œuvrer vers un réseau de communication quantique, il est primordial de limiter les ressources nécessaires. En particulier, nous montrons ici que l’on peut utiliser une source unique de paires de photons intriqués, pour desservir un grand nombre d’utilisateurs. Ceci implique que la source en question soit à large bande spectrale d’émission, et compatible avec les infrastructures actuelles de télécommunication optique. Dans un premier temps nous avons étudié une source de photons corrélés, basée sur la fluorescence paramétrique. A partir des valeurs expérimentales mesurées (coups et coïncidences), une borne maximale de la visibilité que l’on pourra obtenir en intrication est calculée ainsi que la brillance. Un facteur de qualité est établi afin de comparer et classer les démultiplexeurs testés par rapport au compromis entre la qualité des corrélations quantiques et la brillance de la source. La deuxième partie consiste à caractériser une source de photons intriqués en polarisation. L’intrication a été réalisée en effectuant un double passage dans un cristal de PPLN, générant un état de type |Φ> =(1/√2)(|HH> +|VV>) . Les photons des paires générées sont aussi séparés par démultiplexage en longueur d’onde. Des mesures de visibilités et du paramètre de Bell S sont effectuées. Les performances des démultiplexeurs sont comparées à celles prévues avec les photons jumeaux. Nous montrons qu’il est possible à partir d’une source unique, d’établir un canal quantique de communication avec au moins 3 couples d’utilisateurs en simultané. Nous proposons à la fin de cette étude, diverses méthodes d’amélioration.

DOI
10.70675/43a2b84dz0c82z4d8cza617zf82b674e593c

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•Jun 22, 2023•0 citations
Afin de pouvoir œuvrer vers un réseau de communication quantique, il est primordial de limiter les ressources nécessaires. En particulier, nous montrons ici que l’on peut utiliser une source unique de paires de photons intriqués, pour desservir un grand nombre d’utilisateurs. Ceci implique que la source en question soit à large bande spectrale d’émission, et compatible avec les infrastructures actuelles de télécommunication optique. Dans un premier temps nous avons étudié une source de photons corrélés, basée sur la fluorescence paramétrique. A partir des valeurs expérimentales mesurées (coups et coïncidences), une borne maximale de la visibilité que l’on pourra obtenir en intrication est calculée ainsi que la brillance. Un facteur de qualité est établi afin de comparer et classer les démultiplexeurs testés par rapport au compromis entre la qualité des corrélations quantiques et la brillance de la source. La deuxième partie consiste à caractériser une source de photons intriqués en polarisation. L’intrication a été réalisée en effectuant un double passage dans un cristal de PPLN, générant un état de type |Φ> =(1/√2)(|HH> +|VV>) . Les photons des paires générées sont aussi séparés par démultiplexage en longueur d’onde. Des mesures de visibilités et du paramètre de Bell S sont effectuées. Les performances des démultiplexeurs sont comparées à celles prévues avec les photons jumeaux. Nous montrons qu’il est possible à partir d’une source unique, d’établir un canal quantique de communication avec au moins 3 couples d’utilisateurs en simultané. Nous proposons à la fin de cette étude, diverses méthodes d’amélioration.
Afin de pouvoir œuvrer vers un réseau de communication quantique, il est primordial de limiter les ressources nécessaires. En particulier, nous montrons ici que l’on peut utiliser une source unique de paires de photons intriqués, pour desservir un grand nombre d’utilisateurs. Ceci implique que la source en question soit à large bande spectrale d’émission, et compatible avec les infrastructures actuelles de télécommunication optique. Dans un premier temps nous avons étudié une source de photons corrélés, basée sur la fluorescence paramétrique. A partir des valeurs expérimentales mesurées (coups et coïncidences), une borne maximale de la visibilité que l’on pourra obtenir en intrication est calculée ainsi que la brillance. Un facteur de qualité est établi afin de comparer et classer les démultiplexeurs testés par rapport au compromis entre la qualité des corrélations quantiques et la brillance de la source. La deuxième partie consiste à caractériser une source de photons intriqués en polarisation. L’intrication a été réalisée en effectuant un double passage dans un cristal de PPLN, générant un état de type |Φ> =(1/√2)(|HH> +|VV>) . Les photons des paires générées sont aussi séparés par démultiplexage en longueur d’onde. Des mesures de visibilités et du paramètre de Bell S sont effectuées. Les performances des démultiplexeurs sont comparées à celles prévues avec les photons jumeaux. Nous montrons qu’il est possible à partir d’une source unique, d’établir un canal quantique de communication avec au moins 3 couples d’utilisateurs en simultané. Nous proposons à la fin de cette étude, diverses méthodes d’amélioration.
Ce travail porte sur la conception et la caractérisation de sources semiconductrices d'états à deux photons pour l'information quantique intégrée. Ces dispositifs, basés sur la fluorescence paramétrique dans des guides d'onde en AlGaAs, émettent des paires de photons à température ambiante aux longueurs d'onde des télécommunications. La première source est une diode laser émettrice de photons jumeaux, basée sur un accord de phase modal entre un mode laser de Bragg à 775 nm injecté électriquement et les modes de photons télécom au sein du même guide d'onde. Nous détaillons le design de la structure, sa caractérisation optique linéaire et non linéaire et son comportement sous injection de courant. L'obtention de l'émission laser et de la génération de seconde harmonique sur un même dispositif ouvre la voie vers une source ultra-compacte de paires de photons. Le second dispositif étudié repose sur une géométrie de pompage transverse où un faisceau laser incident sur le dessus du guide génère deux photons télécom guidés et contrapropageants. Nous explorons la grande versatilité de l'état quantique des paires générées par cette source, avec notamment les possibilités d'ingénierie de l'état dans le domaine fréquenciel offertes par cette géométrie. Nous présentons également la première démonstration expérimentale d'états intriqués en polarisation obtenue avec ce dispositif, ainsi qu'un modèle permettant de calculer la qualité de l'intrication à partir des distributions spatiales et spectrales du faisceau de pompe. Ces sources d'états non classiques, compactes et injectables électriquement, sont d'excellents candidats pour les implémentations photoniques de l'information quantique.
Les protocoles de cryptographie quantique basés sur l’utilisation de paires de photons intriqués montrent une meilleure robustesse aux pertes que ceux qui utilisent des photons uniques ou des lasers atténués [1]. Ils permettent donc la distribution de clés secrètes quantiques (QKD) sur des distances plus importantes. Par ailleurs, ils permettent de garantir une sécurité indépendante des appareils (device-independent QKD). La mise en œuvre pratique de ces protocoles dans les réseaux de télécommunications par fibre nécessite des sources performantes et facilement intégrables. Ici nous démontrons la distribution de clés secrètes par fibre entre différents utilisateurs avec une source semi-conductrice qui génère des états intriqués en polarisation sur une large bande spectrale aux longueurs d’onde Télécom. De plus, le démultiplexage permet la distribution multi-utilisateur à partir d’une seule source.
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Ce travail s’oriente sur le développement d’une nouvelle source à visé de spatialisation générant des paires de photons intriquées, utilisable pour un protocole de distribution quantique de clefs au travers de l’atmosphère. Nous étudions en premier lieu différentes observables quantiques applicables à ce lien de communication entre un satellite et une station au sol. Ceci nous permet ainsi d’identifier les encodages les plus robustes et d’assurer la fidélité de la mesure. La seconde étude s’oriente sur l’atmosphère et son impacte sur la propagation à différentes longueurs d’onde. Nous prenons également en compte l’aspect directionnel du lien, celui-ci impactant différemment si la source est au sol avec les détecteurs dans le satellite ou si la source est embarquée à bord du satellite et les détecteurs sont au sol. Il en résulte que le couple de longueurs d’ondes à 810 nm et 1550 nm sont deux candidats prometteurs. Par conservation de l’énergie il apparait qu’un laser à 532 nm permet de générer cette paire de longueur d’onde. Ces lasers présentent l’avantage d’avoir une haute maturité technologique, nous donnant ainsi accès à un laser de pompe de haute puissance et présentant une importante longueur de cohérence, supérieure à la centaine de mètres. Enfin, nous présentons comment nous avons réalisés notre source de paires de photons intriquées sur deux observables à deux longueurs d’ondes distinctes en optique de volume. Le choix de la configuration Sagnac permet de générer des paires de photons intriquées à 810 et 1550 nm. Cette configuration permet d’observer de l’intrication en polarisation tout en gardant son avantage d’être auto-stabilisée. Le processus de génération des paires de photons permet d’exploiter l’observable énergie-temps. Nous avons une visibilité supérieure à 99% sur ces deux observables.