Architectures hybrides pour le traitement quantique de l'information Cette thèse s’intéresse à une approche dite hybride de l’information quantique. Deux approches traditionnellement séparées, variables discrètes et variables continues, sont combinées dans une même expérience nécessitant à la fois comptage de photons (nombre de photons) et détection homodyne (quadratures). Cette architecture hybride a d’abord été utilisée pour générer des états non-gaussiens de la lumière de grande fidélité, par exemple état de Fock et chat de Schrödinger optique,qui correspondent à deux types d’encodages utilisés en information quantique. L’utilisation de détecteurs supraconducteurs à forte efficacité a permis d’obtenir un taux de préparation sans précédent, ce qui facilite l’utilisation ultérieure de ces états. Ces deux types d’état sont ensuite été combinés pour réaliser pour la première fois une intrication hybride entre qubits optiques de nature différente. Son extension à des qutrits a également été obtenue.Ces nouvelles ressources ouvrent la voie à la mise en oeuvre de réseau quantique hétérogène où les opérations et les techniques propres aux variables discrètes et continues peuvent être efficacement combinées.Ce travail de thèse a également été consacré à la mise en oeuvre d’un système de conversion de fréquence à haute efficacité et faible bruit, basé sur deux lasers à fibres synchronisés.Ce convertisseur de fréquence quantique permet non seulement d’étendre les états quantiques à des longueurs d’onde difficilement accessibles avec la technologie actuelle, mais constitue également un détecteur de photons à haute performance, surtout dans le régime infrarouge.Basé sur ce système, plusieurs applications ont ensuite été démontrées, comme la détection infrarouge résolue en nombre de photons et l’imagerie infrarouge ultra-sensible.
Architectures hybrides pour le traitement quantique de l'information Cette thèse s’intéresse à une approche dite hybride de l’information quantique. Deux approches traditionnellement séparées, variables discrètes et variables continues, sont combinées dans une même expérience nécessitant à la fois comptage de photons (nombre de photons) et détection homodyne (quadratures). Cette architecture hybride a d’abord été utilisée pour générer des états non-gaussiens de la lumière de grande fidélité, par exemple état de Fock et chat de Schrödinger optique,qui correspondent à deux types d’encodages utilisés en information quantique. L’utilisation de détecteurs supraconducteurs à forte efficacité a permis d’obtenir un taux de préparation sans précédent, ce qui facilite l’utilisation ultérieure de ces états. Ces deux types d’état sont ensuite été combinés pour réaliser pour la première fois une intrication hybride entre qubits optiques de nature différente. Son extension à des qutrits a également été obtenue.Ces nouvelles ressources ouvrent la voie à la mise en oeuvre de réseau quantique hétérogène où les opérations et les techniques propres aux variables discrètes et continues peuvent être efficacement combinées.Ce travail de thèse a également été consacré à la mise en oeuvre d’un système de conversion de fréquence à haute efficacité et faible bruit, basé sur deux lasers à fibres synchronisés.Ce convertisseur de fréquence quantique permet non seulement d’étendre les états quantiques à des longueurs d’onde difficilement accessibles avec la technologie actuelle, mais constitue également un détecteur de photons à haute performance, surtout dans le régime infrarouge.Basé sur ce système, plusieurs applications ont ensuite été démontrées, comme la détection infrarouge résolue en nombre de photons et l’imagerie infrarouge ultra-sensible.
Approche hybride du traitement quantique de l'information Approche hybride du traitement quantique de l'information La dualité onde-particule a conduit à deux façons d'encoder l'information quantique, les approches continues et discrètes. L'approche hybride a récemment émergé, et consiste à utiliser les concepts et boites à outils des deux approches, afin de venir à bout des limitations intrinsèques à chaque champ. Dans ce travail de thèse, nous allons dans une première partie utiliser des protocoles hybrides de façon à générer des états quantiques non-gaussiens de la lumière. A l'aide d'oscillateurs paramétriques optiques, et de détecteur de photons supraconducteurs, nous pouvons générer des photons uniques extrêmement purs très efficacement, ainsi que des états chats de Schrödinger, qui permettent d'encoder l'information en variables continues. Nous montrons également en quoi des opérations de variables continues peuvent aider cette génération. La méthode utilisée, basée sur la génération " d'états-noyaux " rend en outre ces états plus robustes à la décohérence. Dans une seconde partie, dans le contexte d'un réseau hétérogène, basé sur différents encodages, relier de façon quantique les deux mondes, nécessite l'existence d'intrication hybride de la lumière. Nous introduisons la notion d'intrication hybride, entre des états continus et discrets, et nous en montrons une première application qui est la génération à distance de bit quantique continu. Nous implémentons ainsi également une plateforme polyvalente permettant la génération d'états " micro-macro " intriqués.
Approche hybride du traitement quantique de l'information La dualité onde-particule a conduit à deux façons d'encoder l'information quantique, les approches continues et discrètes. L'approche hybride a récemment émergé, et consiste à utiliser les concepts et boites à outils des deux approches, afin de venir à bout des limitations intrinsèques à chaque champ. Dans ce travail de thèse, nous allons dans une première partie utiliser des protocoles hybrides de façon à générer des états quantiques non-gaussiens de la lumière. A l'aide d'oscillateurs paramétriques optiques, et de détecteur de photons supraconducteurs, nous pouvons générer des photons uniques extrêmement purs très efficacement, ainsi que des états chats de Schrödinger, qui permettent d'encoder l'information en variables continues. Nous montrons également en quoi des opérations de variables continues peuvent aider cette génération. La méthode utilisée, basée sur la génération " d'états-noyaux " rend en outre ces états plus robustes à la décohérence. Dans une seconde partie, dans le contexte d'un réseau hétérogène, basé sur différents encodages, relier de façon quantique les deux mondes, nécessite l'existence d'intrication hybride de la lumière. Nous introduisons la notion d'intrication hybride, entre des états continus et discrets, et nous en montrons une première application qui est la génération à distance de bit quantique continu. Nous implémentons ainsi également une plateforme polyvalente permettant la génération d'états " micro-macro " intriqués.
Protocoles de téléportation quantique reposant sur l'intrication hybride de la lumière Cette thèse porte sur l'implémentation de protocoles de téléportation quantique impliquant conjointement les approches en variables discrètes et en variables continues de l'information quantique optique. Nous commençons par présenter l'intérêt de ces protocoles dans le cadre des réseaux quantiques hétérogènes, puis nous introduisons les techniques expérimentales pour la production d'états non-Gaussiens tels que des photons uniques, des chats de Schrödinger optiques, jusqu'à l'intrication hybride de la lumière entre des états quantiques en variables discrètes et continues. Nous développons un nouvel outil expérimental pour la mise en place d'une mesure de Bell qui intègre des techniques de comptage de photon et de sélection de quadratures du champ. Nous combinons ces méthodes en réalisant un protocole de transfert d'intrication entre deux états intriqués de natures différentes: une intrication à un photon et une intrication hybride de la lumière. Nous décrivons ensuite la mise en place d'une source de photons uniques annoncés supplémentaire et d'un système de cryogénie pour le fonctionnement de détecteurs de photon supraconducteurs. Enfin nous employons ces nouvelles ressources dans un protocole de téléportation quantique hybride permettant la conversion d'information quantique de variables discrètes à variables continues. Ces travaux ouvrent la voie à l'interconnexion de plateformes de natures différentes dans les réseaux quantiques hétérogènes.
Ce travail porte sur le développement d'outils pour l'ingénierie quantique d'états non-classiques de la lumière. Trois axes différents sont étudiés qui, combinés ensembles, permettent d'obtenir un protocole efficace et polyvalent pour la génération d'états quantiques Ces états sont générés en tirant profit des avantages distincts des deux descriptions possibles de la lumière grâce à l'utilisation conjointe des variables discrètes et continues.Le premier axe repose sur la réalisation de superpositions arbitraires d’états de Fock à zéro et deux photons à partir de deux états à un photon indiscernables. Cette expérience permet, entre autre, de créer des superpositions d'états cohérents appelés états chats de Schrödinger optiques. Afin d'augmenter l'amplitude des états produits, une itération du procédé est possible.Pour pouvoir rendre possible cette itération, nous augmentons dans un premier temps le taux de production de notre ressource de base: le photon unique. Pour cela, nous installons deux cavités optiques synchrones qui permettent d'accroître la puissance crête des impulsions du laser, exaltant ainsi les effets non-linéaires à l'origine de la production des photons.Le dernier axe, consiste à réduire les problèmes liés à la création probabiliste des photons. Pour cela, une mémoire quantique a été implémentée, permettant de stocker puis d'extraire un photon sur demande. Le stockage d’états contenant un et deux photons a été réalisé. Ce dispositif permettra à terme, en synchronisant l'état stocké avec l'arrivée d'un autre photon, de créer des états chats à l'intérieur même de la cavité.
La lumière est un excellent candidat comme support d'information quantique en raison de la possibilité de réaliser des qubits optiques qui peuvent être transmis par des fibres optiques, manipulés au moyen de l'optique linéaire et interfacés avec la matière.La dualité onde-particule de la lumière a conduit à deux type d' encodages, traditionnellement séparés, de l'information quantique : une approche "à variables discrètes" (DV), basée par exemple sur des photons uniques, et une approche "à variables continues" (CV), qui repose sur des degrés de liberté continus tels que l'amplitude et la phase d'un champ lumineux.Les deux régimes présentent des avantages et des inconvénients spécifiques. L'approche DV a donné lieu à de nombreuses expériences révolutionnaires et permet de réaliser la téléportation avec une fidélité proche de l'unité, mais elle est dans la plupart des cas probabiliste et affectée par les limites des détecteurs de photons uniques. À l'inverse, l'approche CV peut bénéficier d'opérations inconditionnelles et d'une discrimination d'état non ambiguë, mais elle souffre d'une forte sensibilité aux pertes et de fidélités intrinsèquement limitées. Dans ce contexte, très récemment, l'hybridation entre les outils et concepts DV et CV a été envisagée comme une approche clé pour rassembler les avantages des deux régimes et contourner leurs limitations individuelles.Cette thèse s'inscrit dans cette démarche émergente mais potentiellement puissante. Plus précisément, elle explore l'intrication hybride entre des qubits optiques de type particule et de type onde. Cette ressource photonique complexe réunit les approches DV et CV et promet, entre autres, de transférer l'information d'un codage à l'autre. Dans la perspective d'applications futures des états hybrides aux communications longue distance sur fibres optiques et aux réseaux quantiques, la thèse se concentre en particulier sur l'étude et la réalisation d'états hybrides avec codage en time-bin sur le qubit de type particule. En time-bin, l'information est codée sur deux temps de génération/détection des photons. Par rapport aux autres approches, ce type d'encodage est particulièrement bien adapté à toute application impliquant des liaisons par fibre optique, car il est particulièrement robuste aux pertes et à la dispersion de polarisation. Dans le même esprit, la thèse explore également des ressources originales s'appuyant sur l'optique intégrée comme technologie habilitante pour la mise en œuvre future, hors laboratoire, de technologies quantiques basées sur l'intrication hybride.
Cette thèse porte sur l'implémentation de protocoles de téléportation quantique impliquant conjointement les approches en variables discrètes et en variables continues de l'information quantique optique. Nous commençons par présenter l'intérêt de ces protocoles dans le cadre des réseaux quantiques hétérogènes, puis nous introduisons les techniques expérimentales pour la production d'états non-Gaussiens tels que des photons uniques, des chats de Schrödinger optiques, jusqu'à l'intrication hybride de la lumière entre des états quantiques en variables discrètes et continues. Nous développons un nouvel outil expérimental pour la mise en place d'une mesure de Bell qui intègre des techniques de comptage de photon et de sélection de quadratures du champ. Nous combinons ces méthodes en réalisant un protocole de transfert d'intrication entre deux états intriqués de natures différentes: une intrication à un photon et une intrication hybride de la lumière. Nous décrivons ensuite la mise en place d'une source de photons uniques annoncés supplémentaire et d'un système de cryogénie pour le fonctionnement de détecteurs de photon supraconducteurs. Enfin nous employons ces nouvelles ressources dans un protocole de téléportation quantique hybride permettant la conversion d'information quantique de variables discrètes à variables continues. Ces travaux ouvrent la voie à l'interconnexion de plateformes de natures différentes dans les réseaux quantiques hétérogènes.