Dans cette thèse de doctorat, nous contribuons au domaine de la photonique quantique intégrée pour le traitement de l'information quantique, notamment via la caractérisation, le contrôle et les applications de circuits photoniques intégrés (PIC). Les PICs permettent une manipulation compacte et stable de la lumière quantique. Nous interfaçons des sources brillantes de photons uniques à base de boites quantiques semi-conductrices avec des PICs en silice ou en nitrure de silicium, afin d'implémenter des protocoles d'information quantique.Nous réalisons d'abord des protocoles quantiques à l'aide de PICs spécialisés. Avec deux photons uniques et une intrication post-sélectionnée encodée en chemin, nous démontrons pour la première fois la génération sur puce d'aléa certifié. Grâce à la stabilité du système optique et la calibration fine des déphaseurs du PIC, nous obtenons un débit de 21 bits certifiés par seconde sur une acquisition de 94 heures. Avec la manipulation précise et stable de quatre qubits photoniques, nous générons un état 4-GHZ post-sélectionné sur puce intégrée avec une fidélité de 86 % et une pureté de 76 %, établissant ainsi de nouvelles références pour la génération et la tomographie d'états photoniques de haute fidélité.En passant aux architectures PIC universelles, nous relevons le défi du contrôle optimal d'interféromètres comportant plusieurs centaines de composants intégrés. Nous développons une technique de caractérisation assistée par apprentissage machine, qui identifie avec précision les imperfections du PIC telles que la diaphonie thermique entre déphaseurs, les erreurs de réflectivité des séparateurs de faisceaux et les pertes en sortie. L'estimation de ces paramètres permet de mettre en œuvre des compensations efficaces d'imperfections de fabrication et d'atteindre expérimentalement une fidélité moyenne en amplitude record de 99,77 % entre les opérations unitaires photoniques ciblées et celles implémentées. Le PIC utilisé pour cette démonstration est un interféromètre de Clements sur 12 modes, l'un des plus grands PIC disponibles, comprenant 132 séparateurs de faisceaux et 126 déphaseurs. Enfin, en tirant parti de l'interprétabilité de notre modèle d'apprentissage machine, nous explorons la physique des PICs afin de cibler un contrôle des PICs limité par le bruit. Nous affinons les modèles de diaphonie pour les PICs, en tenant compte des variations des propriétés physiques des guides d'ondes intégrés lorsque des déphaseurs adjacents sont activés. Nous introduisons une méthode générale de compensation de diaphonie, et proposons un critère graphique permettant d'identifier les schémas d'interféromètres robustes vis-à-vis de la diaphonie. Il s'agit d'une étape importante pour le passage à l'échelle du nombre de qubits photoniques manipulés à l'aide d'interféromètres spécialisés. Notre contribution garantit une précision optimale des opérations appliquées sur la lumière. Nos résultats ouvrent la voie à des architectures quantiques photoniques plus fiables, rapprochant ainsi l'objectif technologique d'un ordinateur quantique photonique tolérant aux erreurs. Les avancées réalisées en caractérisation et en contrôle optimal de PICs, grâce à une technique que nous avons brevetée reposant sur l'apprentissage machine, dépassent le cadre de la photonique quantique et contribuent également à l'essor de la photonique intégrée classique.
Dans cette thèse de doctorat, nous contribuons au domaine de la photonique quantique intégrée pour le traitement de l'information quantique, notamment via la caractérisation, le contrôle et les applications de circuits photoniques intégrés (PIC). Les PICs permettent une manipulation compacte et stable de la lumière quantique. Nous interfaçons des sources brillantes de photons uniques à base de boites quantiques semi-conductrices avec des PICs en silice ou en nitrure de silicium, afin d'implémenter des protocoles d'information quantique.Nous réalisons d'abord des protocoles quantiques à l'aide de PICs spécialisés. Avec deux photons uniques et une intrication post-sélectionnée encodée en chemin, nous démontrons pour la première fois la génération sur puce d'aléa certifié. Grâce à la stabilité du système optique et la calibration fine des déphaseurs du PIC, nous obtenons un débit de 21 bits certifiés par seconde sur une acquisition de 94 heures. Avec la manipulation précise et stable de quatre qubits photoniques, nous générons un état 4-GHZ post-sélectionné sur puce intégrée avec une fidélité de 86 % et une pureté de 76 %, établissant ainsi de nouvelles références pour la génération et la tomographie d'états photoniques de haute fidélité.En passant aux architectures PIC universelles, nous relevons le défi du contrôle optimal d'interféromètres comportant plusieurs centaines de composants intégrés. Nous développons une technique de caractérisation assistée par apprentissage machine, qui identifie avec précision les imperfections du PIC telles que la diaphonie thermique entre déphaseurs, les erreurs de réflectivité des séparateurs de faisceaux et les pertes en sortie. L'estimation de ces paramètres permet de mettre en œuvre des compensations efficaces d'imperfections de fabrication et d'atteindre expérimentalement une fidélité moyenne en amplitude record de 99,77 % entre les opérations unitaires photoniques ciblées et celles implémentées. Le PIC utilisé pour cette démonstration est un interféromètre de Clements sur 12 modes, l'un des plus grands PIC disponibles, comprenant 132 séparateurs de faisceaux et 126 déphaseurs. Enfin, en tirant parti de l'interprétabilité de notre modèle d'apprentissage machine, nous explorons la physique des PICs afin de cibler un contrôle des PICs limité par le bruit. Nous affinons les modèles de diaphonie pour les PICs, en tenant compte des variations des propriétés physiques des guides d'ondes intégrés lorsque des déphaseurs adjacents sont activés. Nous introduisons une méthode générale de compensation de diaphonie, et proposons un critère graphique permettant d'identifier les schémas d'interféromètres robustes vis-à-vis de la diaphonie. Il s'agit d'une étape importante pour le passage à l'échelle du nombre de qubits photoniques manipulés à l'aide d'interféromètres spécialisés. Notre contribution garantit une précision optimale des opérations appliquées sur la lumière. Nos résultats ouvrent la voie à des architectures quantiques photoniques plus fiables, rapprochant ainsi l'objectif technologique d'un ordinateur quantique photonique tolérant aux erreurs. Les avancées réalisées en caractérisation et en contrôle optimal de PICs, grâce à une technique que nous avons brevetée reposant sur l'apprentissage machine, dépassent le cadre de la photonique quantique et contribuent également à l'essor de la photonique intégrée classique.
Dans cette thèse de doctorat, nous étudions des caractéristiques clés du traitement optique de l'information quantique, à savoir la possibilité d'effectuer des interférences quantiques et de générer de l'intrication avec plusieurs photons. Nous utilisons une boite quantique (QD) à base de semi-conducteurs intégrée dans une cavité optique monolithique de type micropiliers comme source efficace de photons uniques, purs et indiscernables. En interfaçant ces sources de photons uniques très performantes avec des circuits photoniques en verre reconfigurables fabriqués par micro-usinage laser femtoseconde, nous manipulons jusqu'à quatre photons sur puce. Nous explorons d'abord la mesure de l'indiscernabilité à plusieurs photons, une tâche non triviale un état avec n>2 photons. Elle est définie comme le recouvrement de l'état à plusieurs photons avec l'état pur constitué de n photons identiques. Nous utilisons un interféromètre reconfigurable qui possède N=2n modes et inclut un réseau cyclique de séparateurs de faisceau pour quantifier de manière expérimentale l'indiscernabilité d'un état à 4 photons sur une version intégrée à 8 modes de cet interféromètre. Nous mesurons une indiscernabilité à 4 photons de 0,81±0,003, ce qui constitue une première valeur de référence et un point de repère pour les futures mesures de l'indiscernabilité à 4 photons. Ensuite, nous démontrons la génération haute fidélité et à haute efficacité d'un état GHZ quadri-partie sur puce, et nous réalisons une première preuve de principe d'une application concrète en démontrant un protocole de partage de secret quantique quadri-partie. Nous avons atteint une fidélité de F=86 % par rapport à l'état GHZ cible et une pureté d'état de P=76,3 %. Nous avons certifié l'intrication de l'état généré avec une approche semi-indépendante du dispositif à 39 écarts types près. Dans notre protocole de distribution de clés quantiques, nous atteignons un QBER de 10,87 %, juste en dessous du seuil de 11 % nécessaire pour garantir une communication sécurisée. Enfin, nous étudions l'interférence de photons générés par deux sources indépendantes de photons uniques brillants accordables électriquement et fabriquées de manière déterministe à l'aide de la technique de lithographie in situ. Nous mesurons l'interférence à deux photons de quatre paires de sources de photons uniques en utilisant des schémas d'excitation pulsée. En utilisant une excitation résonante, nous montrons que nous pouvons atteindre jusqu'à V =54.8±1 % sans aucun filtrage spectral, et V=69±1 % lorsque les photons uniques sont filtrés pour réduire l'impact du bruit de charge.
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.
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.
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.
Interférence et intrication quantiques à plusieurs photons Dans cette thèse de doctorat, nous étudions des caractéristiques clés du traitement optique de l'information quantique, à savoir la possibilité d'effectuer des interférences quantiques et de générer de l'intrication avec plusieurs photons. Nous utilisons une boite quantique (QD) à base de semi-conducteurs intégrée dans une cavité optique monolithique de type micropiliers comme source efficace de photons uniques, purs et indiscernables. En interfaçant ces sources de photons uniques très performantes avec des circuits photoniques en verre reconfigurables fabriqués par micro-usinage laser femtoseconde, nous manipulons jusqu'à quatre photons sur puce. Nous explorons d'abord la mesure de l'indiscernabilité à plusieurs photons, une tâche non triviale un état avec n>2 photons. Elle est définie comme le recouvrement de l'état à plusieurs photons avec l'état pur constitué de n photons identiques. Nous utilisons un interféromètre reconfigurable qui possède N=2n modes et inclut un réseau cyclique de séparateurs de faisceau pour quantifier de manière expérimentale l'indiscernabilité d'un état à 4 photons sur une version intégrée à 8 modes de cet interféromètre. Nous mesurons une indiscernabilité à 4 photons de 0,81±0,003, ce qui constitue une première valeur de référence et un point de repère pour les futures mesures de l'indiscernabilité à 4 photons. Ensuite, nous démontrons la génération haute fidélité et à haute efficacité d'un état GHZ quadri-partie sur puce, et nous réalisons une première preuve de principe d'une application concrète en démontrant un protocole de partage de secret quantique quadri-partie. Nous avons atteint une fidélité de F=86 % par rapport à l'état GHZ cible et une pureté d'état de P=76,3 %. Nous avons certifié l'intrication de l'état généré avec une approche semi-indépendante du dispositif à 39 écarts types près. Dans notre protocole de distribution de clés quantiques, nous atteignons un QBER de 10,87 %, juste en dessous du seuil de 11 % nécessaire pour garantir une communication sécurisée. Enfin, nous étudions l'interférence de photons générés par deux sources indépendantes de photons uniques brillants accordables électriquement et fabriquées de manière déterministe à l'aide de la technique de lithographie in situ. Nous mesurons l'interférence à deux photons de quatre paires de sources de photons uniques en utilisant des schémas d'excitation pulsée. En utilisant une excitation résonante, nous montrons que nous pouvons atteindre jusqu'à V =54.8±1 % sans aucun filtrage spectral, et V=69±1 % lorsque les photons uniques sont filtrés pour réduire l'impact du bruit de charge.
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.