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.
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.
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.
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.
Cette thèse traite du développement de deux sources de paires de photons intriqués pour des applications de communication et cryptographie quantiques. La première est une source fibrée “plug-and-play" de haute efficacité permettant de générer de l'intrication en énergie-temps et en polarisation dans la bande des télécoms pour des applications de cryptographie quantique dans des réseaux à fibre optique et à segment spatial. La seconde est une source générant de l'intrication sur la base des états de Fock dans le but de mettre en oeuvre un protocole de cryptographie quantique, reposant sur l'intrication, et indépendant du matériel employé. La première partie de ce manuscrit introduit les bases de la communication classique et des protocoles de sécurité actuels, avant de présenter la cryptographie quantique comme alternative. Elle développe les concepts fondamentaux sur lesquels est basée la sécurité de ces protocoles ainsi que les limitations inhérentes aux réseaux déployés, notamment en termes de distance. Deux solutions sont présentées pour les outrepasser : l'utilisation de répéteurs quantiques et la propagation en espace libre par voie spatiale. Les contraintes associées à ces approches sont également discutées. Sont détaillées par la suite la conception et la caractérisation d'une source de paires de photons intriqués, répondant aux exigences des réseaux à fibre optique et à segment spatial, et permettant un encodage de l'information sur plusieurs observables. À ce titre, sont discutées les différentes observables, le montage expérimental permettant leur mise en oeuvre ainsi que les contraintes découlant des spécifications mentionnées. À partir de celles-ci, une architecture finale est définie, et la caractérisation complète de cette source est présentée. La source est intégrée au réseau de cryptographie quantique Quantum@UniCA, au sein duquel elle est testée en conditions réelles pour ses performances en termes de taux de clefs et d'erreurs sur les deux observables d'encodage. En complément, des mesures en espace libre sont présentées afin d'ouvrir la voie à des liaisons quantiques satellites-sol. La seconde partie de ces travaux présente une autre source pour un nouveau type de protocole, appelé “Device-independant" ou DI, qui permet de s'affranchir du besoin de caractériser les systèmes utilisés pour l'échange de clef. Ces protocoles sont fondamentaux car ils permettent de résoudre l'une des limitations de la cryptographie quantique : l'imperfection de l'implémentation expérimentale. Cette partie présente donc le contexte et les enjeux de ce type de protocoles ainsi que les différentes étapes de ceux-ci. Elle met en évidence les points communs et les différences entre les protocoles utilisés dans la première partie et celui-ci et détaille le design de l'expérience retenue pour essayer d'aboutir à la première réalisation expérimentale d'un protocole de DI-QKD photonique.
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.
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.
Ressources quantiques à variable continue aux longueurs d'onde de télécommunication Les réseaux quantiques à variables continues constituent une ressource précieuse pour un large éventail de protocoles de communication et de traitement de l'information quantiques. Le multiplexage en fréquence et le multiplexage temporel rapide permettent la mise en œuvre d'architectures quantiques évolutives, dans ce cadre une caractérisation précise des sources de lumière comprimée multimode est essentielle. Dans ce travail, nous augmentons à la fois la résolution spectrale et les valeurs de compression mesurées. Ces deux paramètres sont déterminants pour l'amélioration de la génération des états dits cluster, une ressource clé pour le calcul quantique basé sur la mesure. Notre source repose sur la conversion paramétrique descendante dans un guide d'onde en PPKTP, pompé par un laser pulsé. La source génère des états comprimés sur un ensemble spécifique de spectres optiques. L'augmentation de la résolution spectrale dans une détection homodyne résolue spectralement nous a permis d'améliorer la compression par mode spectral, en la faisant passer de 1 dB à plus de 2,4 dB dans le premier mode, lors de mesures effectuées avec un détecteur homodyne de largeur de bande de quelques MHz. Dans un second temps, nous avons mis en œuvre une caractérisation impulsion par impulsion de la ressource à l'aide d'un détecteur homodyne rapide dont la bande passante électronique est de l'ordre du taux de répétition du laser (100 MHz). Cette approche a permis de mettre en évidence des valeurs de compression allant jusqu'à 1,5 dB dans les premiers modes spectraux. Afin d'accéder pleinement à la ressource quantique multimode et, à terme, d'augmenter le niveau de compression mesuré, une efficacité quantique élevée est requise. Pour éviter les limitations dues à un mauvais recouvrement spatial entre la ressource quantique et l'oscillateur local en détection homodyne, nous avons mis en place un schéma de façonnage du front d'onde permettant de caractériser et de contrôler à la fois le profil d'intensité et la phase de l'oscillateur local. Lors de tests préliminaires, cette approche a permis d'augmenter le recouvrement entre le faisceau de référence et le signal quantique de plus de 8 %, tout en fournissant simultanément une caractérisation détaillée de la forme du faisceau et de l'influence de la transmission du guide d'onde sur le profil du faisceau. Pour obtenir un avantage réel en traitement de l'information quantique par rapport aux protocoles classiques, la génération d'états non gaussiens est nécessaire. Nous présentons donc un schéma complet pour la création d'états non gaussiens dans un système multimode par addition et soustraction sélectives d'un photon, mises en œuvre via des processus optiques non linéaires dans des matériaux non linéaires du second ordre. Nous introduisons un cadre de simulation appliqué à notre source de compression, qui peut également être adapté à d'autres régimes. Sur la base de ce cadre, nous sommes en mesure de prédire des configurations spécifiques de guides d'onde permettant un contrôle complet des états quantiques générés tout en conservant une pureté élevée, chaque processus présentant un nombre de Schmidt proche de K=1, correspondant à un adressage effectif monomode.