Photonique quantique intégrée pour les applications quantiques Cette thèse porte sur la réalisation d’un composant pour la communication quantique à base d’optique intégrée sur niobate de lithium. Nous avons exploité simultanément les propriétés optiques non linéaire et électro-optique du niobate pour générer les états à deux photons configurables et annoncés. En utilisant un laser de pompe en régime picoseconde et des composants issus des technologies des télécommunications, nous avons démontré la capacité à produire divers états à deux photons codés en chemin, montrant 94% de visibilité brute pour l'interférence de type Hong-Ou-Mandel (HOM). La polyvalence et les performances d'une telle source d'intrication photonique aussi fortement intégrée permettent d'explorer des protocoles de traitement de l'information quantique plus complexes trouvant des applications dans les tâches de communication et de métrologie quantiques. Pour permettre l'interférence à deux photons sur la puce, la synchronisation préalable de deux impulsions de pompe à l’entrée de la puce est cruciale. Inspiré par l'expérience des doubles fentes de Young, nous avons synchronisé deux impulsions avec une précision de 100 µm en étudiant le contraste des franges d'interférence lors de la variation du retard relatif de ces impulsions. À l'aide d'un auto-corrélateur et d’un spectromètre, le produit temps-fréquence des impulsions de la pompe a été caractérisé avec précision, puis nous avons identifié la taille des filtres requis pour obtenir des états purs à 99%. La visibilité de l'interférence à deux photons étant liée à la puissance de la pompe, une étude théorique visant à déterminer le niveau de puissance approprié de la pompe a également été réalisée. Enfin, la capacité à générer un état intriqué à deux photons de haute qualité a été démontrée par une mesure de coïncidence quadruple reposant sur des détecteurs supraconducteurs de photons uniques (SNSPD) et un convertisseur temps-numérique programmable. Durant cette thèse, les SNSPDs ont été calibrés, puis un algorithme de comptage logique basé sur Labview a été développé, afin d'enregistrer efficacement et précisément les coïncidences quadruples pour les états N00N et états produits.
Photonique quantique intégrée pour les applications quantiques Cette thèse porte sur la réalisation d’un composant pour la communication quantique à base d’optique intégrée sur niobate de lithium. Nous avons exploité simultanément les propriétés optiques non linéaire et électro-optique du niobate pour générer les états à deux photons configurables et annoncés. En utilisant un laser de pompe en régime picoseconde et des composants issus des technologies des télécommunications, nous avons démontré la capacité à produire divers états à deux photons codés en chemin, montrant 94% de visibilité brute pour l'interférence de type Hong-Ou-Mandel (HOM). La polyvalence et les performances d'une telle source d'intrication photonique aussi fortement intégrée permettent d'explorer des protocoles de traitement de l'information quantique plus complexes trouvant des applications dans les tâches de communication et de métrologie quantiques. Pour permettre l'interférence à deux photons sur la puce, la synchronisation préalable de deux impulsions de pompe à l’entrée de la puce est cruciale. Inspiré par l'expérience des doubles fentes de Young, nous avons synchronisé deux impulsions avec une précision de 100 µm en étudiant le contraste des franges d'interférence lors de la variation du retard relatif de ces impulsions. À l'aide d'un auto-corrélateur et d’un spectromètre, le produit temps-fréquence des impulsions de la pompe a été caractérisé avec précision, puis nous avons identifié la taille des filtres requis pour obtenir des états purs à 99%. La visibilité de l'interférence à deux photons étant liée à la puissance de la pompe, une étude théorique visant à déterminer le niveau de puissance approprié de la pompe a également été réalisée. Enfin, la capacité à générer un état intriqué à deux photons de haute qualité a été démontrée par une mesure de coïncidence quadruple reposant sur des détecteurs supraconducteurs de photons uniques (SNSPD) et un convertisseur temps-numérique programmable. Durant cette thèse, les SNSPDs ont été calibrés, puis un algorithme de comptage logique basé sur Labview a été développé, afin d'enregistrer efficacement et précisément les coïncidences quadruples pour les états N00N et états produits.
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.
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.
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.
Photonique sur silicium pour les communications quantiques Cette thèse de doctorat porte sur l'optimisation d'une bibliothèque de composants photoniques individuels en silicium afin de construire des circuits complexes pour des applications quantiques. Divers composants, dont des filtres de Bragg, des résonateurs et des coupleurs modal d'addition, ont été étudiés en profondeur et intégrés dans des circuits complexes. Ces circuits ont fait l'objet d'une caractérisation quantique qui a donné des résultats prometteurs. Nous démontrons un générateur de paires de photons intriqués déterministe entièrement sur puce sur la plateforme SOI 300 nm, en utilisant uniquement des composants passifs. La conception est conforme aux normes industrielles CMOS. Le circuit intègre trois étapes: la génération de paires de photons intriqués, le filtrage de la pompe et le démultiplexeur en longueur d'onde (WDM). Pour l'entrée et la sortie, nous avons utilisé des réseaux en forme de L optimisés pour une perte ultra-faible de 2,5 dB. Les paires de photons intriqués sont générées par un mélange spontané à quatre ondes (SFWM) à travers un simple résonateur en anneau. L'anneau est couplé de manière critique à un guide d'onde bus, ce qui permet d'obtenir un facteur de qualité supérieur à 150k avec une gamme spectrale libre (FSR) d'environ 100 GHz, correspondant à la grille de l'UIT. Essentiel pour les performances du circuit, l'étage de filtrage de la pompe suit l'approche multi-étapes de la cohérence brisée en incorporant des courbes de métamatériaux conçus afin d'éliminer les ondes de polarisation TM. Il en résulte ainsi un taux de réjection supérieur à 80 dB. Il convient de noter que cette approche a été transposée avec succès à la technologie SiN par notre groupe. Enfin, l'étage WDM se compose d'un coupleur modal d'addition en cascade à deux sections et d'un réseau de Bragg effilé adiabatique, conçu pour une diaphonie ultra-faible (moins de 40 dB) et pertes d'insertion minimales. Ce circuit intégré combine avec succès toutes les étapes nécessaires à la génération et au traitement de paires de photons intriqués sur la puce. Après avoir effectué une caractérisation classique et pris en compte les pertes, des caractérisations quantiques ont été réalisées à l'aide de détecteurs de photons uniques à nanofils supraconducteurs (SNSPD) dans une configuration de coïncidence. Les mesures d'interférence des paires intriquées ont été réalisées à l'aide d'un interféromètre de Michelson de type Franson. La visibilité des figures d'interférence a été déterminée en ajustant la différence de phase de l'interféromètre. Nous avons obtenu des visibilités brutes et corrigées de 80 % et 98 %, respectivement, avec une stabilité constante des crêtes latérales, ce qui confirme les corrélations quantiques dans nos expériences. C'est la première fois qu'un circuit complexe, comprenant un filtre de pompe et un étage de démultiplexage, est évalué pour sa capacité à produire des paires de photons intriqués.
Vers les technologies quantiques basées sur l’intrication photonique Le but de cette thèse est de développer des sources d’intrication photonique en vue d'applications en sciences information quantique. Dans ce contexte, nous présentons une source très performante et entièrement guidée permettant, au moyen d'une boucle de Sagnac, la génération d'états hyper-intriqués en polarisation et en énergie-temps. La configuration guidée rend le dispositif versatile, efficace et compatible avec une large bande spectrale, répondant ainsi au besoin des systèmes et réseaux de communication fibrés. À cette fin, nous avons distribué simultanément dans différents canaux télécoms des paires de photons hyper-intriqués au moyen de multiplexeurs en longueur d'onde à 5 canaux (DWDM), augmentant de fait le débit. La qualité de l'intrication est validée par la violation d'une inégalité de Bell étendue à un espace de Hilbert à 16 dimensions. Afin de pouvoir interfacer des photons aux longueurs d'ondes des télécommunications avec les bandes d'absorption des mémoires quantiques situées dans le visible, nous avons également développé une interface cohérente en longueur d'ondes. Un nouveau dispositif de métrologie quantique permettant la mesure avec une précision inégalée des effets de la dispersion chromatique dans les fibres optiques standards est également proposé. Notre approche "quantique" améliore la précision par un facteur 2.6 par rapport aux méthodes de mesures conventionnelles. Dans ce même contexte, nous avons aussi implémenté un nouveau protocole de métrologie de la phase de deux photons en ne détectant uniquement qu'un seul photon. Cette réalisation ouvre la voie à des applications potentielles simples s'appuyant sur peu de ressources au niveau de la détection. Finalement, dans la perspective de la miniaturisation de dispositifs quantiques, nous avons démontré un générateur d'intrication annoncée intégré sur puce qui trouve des applications en calcul et métrologie quantique.
Les récents progrès de la physique quantique en matière de manipulations d'objets quantiques individuels et/ou collectifs promettent une révolution dans les domaines de la communication, de la métrologie, de l'informatique et de la simulation. Plus spécifiquement, l'avènement des nouvelles technologies quantiques repose sur la génération, la manipulation et le contrôle d'états quantiques tels que l'intrication. Découverte il y a plus de 30 ans, la lumière comprimée s'est imposée comme un outil de choix pour la mise en œuvre des technologies quantiques, mais son utilisation souffre encore aujourd'hui d'un manque crucial de compacité, freinant ainsi la croissance de certaines réalisations en photonique quantique.Pour pallier ce problème, nous avons développé une plateforme photonique compacte de génération et de détection de lumière comprimée aux longueurs d’ondes des télécommunications. Elle repose sur le mariage entre les composants à fibre optique standards à 1550 nm et de l'optique intégrée sur niobate de lithium (LiNbO3), permettant d'obtenir un montage compact, facilement reconfigurable sans qu'aucun alignement ne soit nécessaire (plug-and-play). Grâce à cette approche, nous avons pu mesurer jusqu’à -2 dB de compression pour une puissance de pompe continue de 40 mW, ouvrant ainsi la voie vers la réalisation de systèmes compacts de variables continues en dehors du cadre des laboratoires.Afin de mieux comprendre les limites de notre système expérimental, nous nous sommes également intéressés aux propriétés photoréfractives du niobate de lithium, c'est-à-dire à la variation de son indice optique en fonction de l'intensité lumineuse qui le traverse. En régime de variables continues, là où les puissances optiques peuvent être relativement élevées, ces effets peuvent durablement affecter le fonctionnement des circuits photoniques intégrés sur LiNbO3. Pour cette raison, une étude précise de la photoréfraction a également été accomplie afin d’optimiser la génération et la détection de la lumière comprimée sur puce LiNbO3.