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.
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.
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.
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 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.
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.
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.
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.