Avancement des états et mesures non gaussiens - un banc d'essai expérimental pour les réseaux quantiques hétérogènes Cette thèse porte sur la création et la manipulation d'états non gaussiens dans le but de tester les réseaux quantiques hétérogènes émergents. Ces réseaux sont envisagés pour héberger de multiples plateformes physiques, connectées par des lignes de communication optiques. Les états optiques utilisés pour cette communication devront être adaptés à l'encodage de la plateforme physique à laquelle ils sont connectés, ce qui conduit à une variété de stratégies d'encodage possibles. Dans ce travail, nous développons des critères pour tester la qualité des différents encodages et des outils de référence qui garantissent un transfert d'informations fidèle. En outre, nous montrons que plusieurs encodages peuvent être utilisés simultanément dans le même réseau quantique sans perdre leurs propriétés quantiques lors de la conversion. Nous utilisons des oscillateurs paramétriques optiques de haute qualité, produisant des états comprimés monomodes ou bimodes. Grâce à des détecteurs à photons uniques supraconducteurs, nous créons deux encodages optiques différents représentant un système à deux niveaux et un oscillateur harmonique. Le système à deux niveaux correspond à des superpositions d'excitations de nombres de photons, tandis que l'état de l'oscillateur harmonique à des chats de Schrödinger optiques. En créant une intrication entre ces deux encodages différents, il est possible de les utiliser dans des protocoles de réseau. Ces derniers sont intrinsèquement limités par le taux de réussite et la fidélité des mesures de l'état de Bell. Nous présentons une amélioration de la fidélité de l'état de sortie et de la projectivité d'une mesure linéaire tout-optique de l'état de Bell en combinant la détection de photons uniques avec la sélection en quadrature du champ. L'utilisation de l'intrication hybride avec cette mesure hybride de l'état de Bell permet de convertir un qubit d'entrée à deux niveaux en son équivalent en oscillateur harmonique dans une configuration basée sur la téléportation. Après une analyse approfondie des résultats de l'expérience du convertisseur, nous développons un critère pour juger de la non-gaussianité des cohérences quantiques. Ce critère est appliqué à deux systèmes à deux niveaux expérimentaux différents. Enfin, des simulations démontrent qu'une future version de l'expérience pourra comprendre de la génération d'états non gaussiens corrigeables d'erreur. Ce travail encourage l'utilisation de plusieurs encodages dans les réseaux quantiques et fait progresser les méthodes de mesure et de création d'états qui élargissent les capacités des systèmes optiques pour la communication quantique.
Avancement des états et mesures non gaussiens - un banc d'essai expérimental pour les réseaux quantiques hétérogènes Cette thèse porte sur la création et la manipulation d'états non gaussiens dans le but de tester les réseaux quantiques hétérogènes émergents. Ces réseaux sont envisagés pour héberger de multiples plateformes physiques, connectées par des lignes de communication optiques. Les états optiques utilisés pour cette communication devront être adaptés à l'encodage de la plateforme physique à laquelle ils sont connectés, ce qui conduit à une variété de stratégies d'encodage possibles. Dans ce travail, nous développons des critères pour tester la qualité des différents encodages et des outils de référence qui garantissent un transfert d'informations fidèle. En outre, nous montrons que plusieurs encodages peuvent être utilisés simultanément dans le même réseau quantique sans perdre leurs propriétés quantiques lors de la conversion. Nous utilisons des oscillateurs paramétriques optiques de haute qualité, produisant des états comprimés monomodes ou bimodes. Grâce à des détecteurs à photons uniques supraconducteurs, nous créons deux encodages optiques différents représentant un système à deux niveaux et un oscillateur harmonique. Le système à deux niveaux correspond à des superpositions d'excitations de nombres de photons, tandis que l'état de l'oscillateur harmonique à des chats de Schrödinger optiques. En créant une intrication entre ces deux encodages différents, il est possible de les utiliser dans des protocoles de réseau. Ces derniers sont intrinsèquement limités par le taux de réussite et la fidélité des mesures de l'état de Bell. Nous présentons une amélioration de la fidélité de l'état de sortie et de la projectivité d'une mesure linéaire tout-optique de l'état de Bell en combinant la détection de photons uniques avec la sélection en quadrature du champ. L'utilisation de l'intrication hybride avec cette mesure hybride de l'état de Bell permet de convertir un qubit d'entrée à deux niveaux en son équivalent en oscillateur harmonique dans une configuration basée sur la téléportation. Après une analyse approfondie des résultats de l'expérience du convertisseur, nous développons un critère pour juger de la non-gaussianité des cohérences quantiques. Ce critère est appliqué à deux systèmes à deux niveaux expérimentaux différents. Enfin, des simulations démontrent qu'une future version de l'expérience pourra comprendre de la génération d'états non gaussiens corrigeables d'erreur. Ce travail encourage l'utilisation de plusieurs encodages dans les réseaux quantiques et fait progresser les méthodes de mesure et de création d'états qui élargissent les capacités des systèmes optiques pour la communication quantique.
Cette thèse porte sur la création et la manipulation d'états non gaussiens dans le but de tester les réseaux quantiques hétérogènes émergents. Ces réseaux sont envisagés pour héberger de multiples plateformes physiques, connectées par des lignes de communication optiques. Les états optiques utilisés pour cette communication devront être adaptés à l'encodage de la plateforme physique à laquelle ils sont connectés, ce qui conduit à une variété de stratégies d'encodage possibles. Dans ce travail, nous développons des critères pour tester la qualité des différents encodages et des outils de référence qui garantissent un transfert d'informations fidèle. En outre, nous montrons que plusieurs encodages peuvent être utilisés simultanément dans le même réseau quantique sans perdre leurs propriétés quantiques lors de la conversion. Nous utilisons des oscillateurs paramétriques optiques de haute qualité, produisant des états comprimés monomodes ou bimodes. Grâce à des détecteurs à photons uniques supraconducteurs, nous créons deux encodages optiques différents représentant un système à deux niveaux et un oscillateur harmonique. Le système à deux niveaux correspond à des superpositions d'excitations de nombres de photons, tandis que l'état de l'oscillateur harmonique à des chats de Schrödinger optiques. En créant une intrication entre ces deux encodages différents, il est possible de les utiliser dans des protocoles de réseau. Ces derniers sont intrinsèquement limités par le taux de réussite et la fidélité des mesures de l'état de Bell. Nous présentons une amélioration de la fidélité de l'état de sortie et de la projectivité d'une mesure linéaire tout-optique de l'état de Bell en combinant la détection de photons uniques avec la sélection en quadrature du champ. L'utilisation de l'intrication hybride avec cette mesure hybride de l'état de Bell permet de convertir un qubit d'entrée à deux niveaux en son équivalent en oscillateur harmonique dans une configuration basée sur la téléportation. Après une analyse approfondie des résultats de l'expérience du convertisseur, nous développons un critère pour juger de la non-gaussianité des cohérences quantiques. Ce critère est appliqué à deux systèmes à deux niveaux expérimentaux différents. Enfin, des simulations démontrent qu'une future version de l'expérience pourra comprendre de la génération d'états non gaussiens corrigeables d'erreur. Ce travail encourage l'utilisation de plusieurs encodages dans les réseaux quantiques et fait progresser les méthodes de mesure et de création d'états qui élargissent les capacités des systèmes optiques pour la communication quantique.
Information quantique basée sur la mesure avec des peignes de fréquences optiques Ce manuscrit porte sur l’étude théorique de techniques expérimentales récemment développées pour réaliser des protocoles d’information quantique en variables continues. Les états Gaussiens multi-modes produits par conversion paramétrique de peignes de fréquences optiques jouent un rôle centrale dans ce travail. Ce phénomène permet de générer de façon déterministe un grand nombre d’états Gaussiens de la lumière. L’état de sortie peut ensuite être de-Gaussifié par soustraction ou addition d’un photon dans une superposition cohérente de modes du champ, puis mesuré par détection homodyne. La thèse est organisée en trois projets principaux. Le premier concerne l’optimisation du spectre du laser de pompe pour manipuler l’état de sortie de la conversion paramétrique. Nous avons développé les outils mathématiques pour traiter des profils spectraux avec amplitude et phase spectrales arbitraires. On a ensuite utilisé un algorithme d’optimisation pour trouver les spectres maximisant des différentes propriétés de l’état de sortie. Une importance particulière est donnée à la production d’"états cluster" en variables continues. Les optimisations ont été développées pour prendre en compte les limitations expérimentales pour assurer la faisabilité des forme spectrales dans les expériences. Dans le deuxième projet nous avons étudié comment les états non-Gaussiens obtenus par soustraction d’un photon d’un état comprimé peuvent être utilisés pour le calcul quantique. Nous proposons un protocole inspiré par le paradigme de "calcul quantique basé sur la mesure" qui combine l’état de-Gaussifié et la mesure homodyne pour approximer des opérateurs unitaires non-Gaussiens. On montre que les mêmes résultats peuvent être obtenus avec des mesure projectives sur des états de photon unique. Finalement, le troisième projet porte sur le partage de secret quantique ("quantum secret sharing"). Dans les protocoles de partage de secret quantique un donneur veut distribuer de l’information codée dans un système quantique à plusieurs joueurs d’une façon qui oblige des sous-ensembles de joueurs à collaborer s’ils veulent retrouver l’information originale. Nous avons développé un protocole qui peut être transféré aux expériences de notre groupe et nous avons participé à la formulation d’une preuve de concept expérimentale. À partir de cela, nous avons dérivé des résultats généraux sur le partage et la reconstruction d’états arbitraires de la lumière en utilisant des ressources Gaussiennes.
Ce manuscrit porte sur l’étude théorique de techniques expérimentales récemment développées pour réaliser des protocoles d’information quantique en variables continues. Les états Gaussiens multi-modes produits par conversion paramétrique de peignes de fréquences optiques jouent un rôle centrale dans ce travail. Ce phénomène permet de générer de façon déterministe un grand nombre d’états Gaussiens de la lumière. L’état de sortie peut ensuite être de-Gaussifié par soustraction ou addition d’un photon dans une superposition cohérente de modes du champ, puis mesuré par détection homodyne. La thèse est organisée en trois projets principaux. Le premier concerne l’optimisation du spectre du laser de pompe pour manipuler l’état de sortie de la conversion paramétrique. Nous avons développé les outils mathématiques pour traiter des profils spectraux avec amplitude et phase spectrales arbitraires. On a ensuite utilisé un algorithme d’optimisation pour trouver les spectres maximisant des différentes propriétés de l’état de sortie. Une importance particulière est donnée à la production d’"états cluster" en variables continues. Les optimisations ont été développées pour prendre en compte les limitations expérimentales pour assurer la faisabilité des forme spectrales dans les expériences. Dans le deuxième projet nous avons étudié comment les états non-Gaussiens obtenus par soustraction d’un photon d’un état comprimé peuvent être utilisés pour le calcul quantique. Nous proposons un protocole inspiré par le paradigme de "calcul quantique basé sur la mesure" qui combine l’état de-Gaussifié et la mesure homodyne pour approximer des opérateurs unitaires non-Gaussiens. On montre que les mêmes résultats peuvent être obtenus avec des mesure projectives sur des états de photon unique. Finalement, le troisième projet porte sur le partage de secret quantique ("quantum secret sharing"). Dans les protocoles de partage de secret quantique un donneur veut distribuer de l’information codée dans un système quantique à plusieurs joueurs d’une façon qui oblige des sous-ensembles de joueurs à collaborer s’ils veulent retrouver l’information originale. Nous avons développé un protocole qui peut être transféré aux expériences de notre groupe et nous avons participé à la formulation d’une preuve de concept expérimentale. À partir de cela, nous avons dérivé des résultats généraux sur le partage et la reconstruction d’états arbitraires de la lumière en utilisant des ressources Gaussiennes.
Génération and charactérisation d'états Gaussien et non-Gaussien de la lumière La lumière offre un potentiel immense pour le développement des technologies quantiques modernes grâce à sa résilience intrinsèque aux effets de décohérence. Une approche prometteuse pour utiliser la lumière dans le traitement de l'information quantique repose sur le régime des variables continues, où les observables d'intérêt sont les quadratures du champ électrique. Ces quadratures se sont révélées être une plateforme efficace pour générer des états intriqués de grande envergure (impliquant jusqu'à un million de modes optiques). De plus, cet intriquement peut être créé de manière déterministe et manipulé facilement avec des techniques optiques standard. Cependant, pour atteindre un avantage quantique - c'est-à-dire effectuer des tâches impossibles à simuler efficacement avec un dispositif classique - il faut aller au-delà de l'intrication. L'ingrédient clé réside dans l'introduction de statistiques non gaussiennes dans les mesures des quadratures, en particulier en créant des états quantiques avec une fonction de Wigner négative. Nous avons récemment développé un dispositif de soustraction de photons modulable en mode, conçu pour générer de tels états. Cela nous offre désormais la possibilité de produire de grands états intriqués et de leur conférer des caractéristiques non gaussiennes, ouvrant ainsi de nouvelles perspectives de recherche. De nombreuses questions restent ouvertes concernant les interactions entre intrication et effets non gaussiens, offrant un champ d'exploration vaste et passionnant. L'un des principaux défis consiste à démontrer que les états générés possèdent les spécificités nécessaires pour être applicables aux tâches d'information quantique. En effet, par nature, il est impossible de réaliser une tomographie complète de ces états multimodes non gaussiens, ce qui impose la mise en œuvre de procédures de certification. L'expérience consiste à manipuler les modes spectraux d'un peigne de fréquences pour concevoir des états gaussiens intriqués, puis à utiliser la soustraction de photons via une somme de fréquences dépendante des modes pour induire des caractéristiques non gaussiennes dans ces états. Les systèmes de détection utilisés pour la certification s'appuient sur un schéma de double détection homodyne, et la méthode de certification est appelée protocole d'estimation des valeurs moyennes en double homodyne. De plus, nous avons récemment développé une méthode permettant d'appliquer l'estimation multiparamétrique à nos états gaussiens, ce qui permet d'estimer efficacement les paramètres des états comprimés. Cette méthode exploite toutes les informations disponibles dans nos mesures pour estimer les paramètres avec une meilleure précision que les techniques courantes. Elle peut être utilisée avec une détection homodyne simple ou une détection homodyne double, chaque schéma de détection offrant des avantages selon la pureté de l'état en entrée.
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.
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.