Contribution aux réseaux de communications quantiques avec des photons intriqués en fréquence par des résonateurs en Silicium Les réseaux quantiques améliorent les systèmes de communication quantique et établissent des connexions entre plusieurs noeuds grâce à la distribution de ressources quantiques, par exemple des états intriqués. Les photons constituent d'excellents porteurs d'information quantique, car ils peuvent transporter ces ressources quantiques à travers des fibres optiques, où les fluctuations environnementales et les pertes optiques sont réduites. L'exploitation d'états quantiques de haute dimension, appelés qudits, permet un transfert d'informations plus dense et une meilleure résistance au bruit que l'utilisation des qubits, leurs équivalents binaires. Passer des qubits aux qudits conduit généralement à plus de complexité expérimentale. L'information quantique peut être encodées dans plusieurs degrés de liberté du photon. On souhaite que l'encodage soit compatible avec les architectures de réseaux quantiques à fibre optique. L'encodage en fréquence est robuste face aux fluctuations de phase ou de polarisation et compatible avec l'infrastructure fibrée existante, tout en permettant l'accès à un espace de Hilbert de haute dimension. Les qudits encodés en fréquence sont manipulés à l'aide de dispositifs fibrés commerciaux, tels que les modulateurs électro-optiques, ce qui permet en outre la parallélisation des opérations. Dans cette thèse de doctorat, nous utilisons des états de Bell encodés en fréquence de dimension d=2 (qubits) et d=3 (qutrits). Nous réalisons une preuve de concept d'un réseau de distribution de clés quantiques basé sur l'intrication, et nous comparons différentes méthodes pour démontrer l'échange d'intrication dans le domaine fréquentiel. Nous utilisons un résonateur spiralé en silicium comme source paramétrique de paires de photons via un mélange à quatre ondes. Nous démontrons un peigne de fréquences et l'accès à 80 modes de fréquentiels. Nous sélectionnons 21 liaisons quantiques capables de transférer des qubits ou des qutrits encodés en 'bins' de fréquence à l'aide d'un seul dispositif expérimental. Nous évaluons et optimisons la source - via la puissance de pompage -, le traitement du signal - via la taille de la fenêtre de coïncidence - et la dimension des qu-d-its jusqu'à d=5 afin de maximiser les performances du réseau quantique de distribution de clés. Nous proposons ainsi une stratégie adaptative pour augmenter le débit d'informations sécurisées transmises en tirant parti de la capacité de codage dense des états quantiques de haute dimension et en bénéficiant du rapport signal sur bruit plus élevé des qubits. Nous montrons qu'on peut ainsi communiquer jusqu'à une distance simulée de 295 km. Nous comparons des méthodes pour démontrer un protocole d'échange d'intrication encodé en fréquence. L'échange d'intrication est une primitive pour les répéteurs quantiques permettant d'augmenter encore la portée de communication. Pour générer une intrication en fréquence entre des photons n'ayant jamais interagi, nous considérons deux paires de photons non corrélées dans le peigne de fréquences en utilisant des modes de fréquence alternés. Nous proposons deux méthodes pour faire interférer des photons provenant des paires de photons distinctes, transférant ainsi l'intrication aux deux photons restants, qui n'ont pas interagi.
Contribution aux réseaux de communications quantiques avec des photons intriqués en fréquence par des résonateurs en Silicium Les réseaux quantiques améliorent les systèmes de communication quantique et établissent des connexions entre plusieurs noeuds grâce à la distribution de ressources quantiques, par exemple des états intriqués. Les photons constituent d'excellents porteurs d'information quantique, car ils peuvent transporter ces ressources quantiques à travers des fibres optiques, où les fluctuations environnementales et les pertes optiques sont réduites. L'exploitation d'états quantiques de haute dimension, appelés qudits, permet un transfert d'informations plus dense et une meilleure résistance au bruit que l'utilisation des qubits, leurs équivalents binaires. Passer des qubits aux qudits conduit généralement à plus de complexité expérimentale. L'information quantique peut être encodées dans plusieurs degrés de liberté du photon. On souhaite que l'encodage soit compatible avec les architectures de réseaux quantiques à fibre optique. L'encodage en fréquence est robuste face aux fluctuations de phase ou de polarisation et compatible avec l'infrastructure fibrée existante, tout en permettant l'accès à un espace de Hilbert de haute dimension. Les qudits encodés en fréquence sont manipulés à l'aide de dispositifs fibrés commerciaux, tels que les modulateurs électro-optiques, ce qui permet en outre la parallélisation des opérations. Dans cette thèse de doctorat, nous utilisons des états de Bell encodés en fréquence de dimension d=2 (qubits) et d=3 (qutrits). Nous réalisons une preuve de concept d'un réseau de distribution de clés quantiques basé sur l'intrication, et nous comparons différentes méthodes pour démontrer l'échange d'intrication dans le domaine fréquentiel. Nous utilisons un résonateur spiralé en silicium comme source paramétrique de paires de photons via un mélange à quatre ondes. Nous démontrons un peigne de fréquences et l'accès à 80 modes de fréquentiels. Nous sélectionnons 21 liaisons quantiques capables de transférer des qubits ou des qutrits encodés en 'bins' de fréquence à l'aide d'un seul dispositif expérimental. Nous évaluons et optimisons la source - via la puissance de pompage -, le traitement du signal - via la taille de la fenêtre de coïncidence - et la dimension des qu-d-its jusqu'à d=5 afin de maximiser les performances du réseau quantique de distribution de clés. Nous proposons ainsi une stratégie adaptative pour augmenter le débit d'informations sécurisées transmises en tirant parti de la capacité de codage dense des états quantiques de haute dimension et en bénéficiant du rapport signal sur bruit plus élevé des qubits. Nous montrons qu'on peut ainsi communiquer jusqu'à une distance simulée de 295 km. Nous comparons des méthodes pour démontrer un protocole d'échange d'intrication encodé en fréquence. L'échange d'intrication est une primitive pour les répéteurs quantiques permettant d'augmenter encore la portée de communication. Pour générer une intrication en fréquence entre des photons n'ayant jamais interagi, nous considérons deux paires de photons non corrélées dans le peigne de fréquences en utilisant des modes de fréquence alternés. Nous proposons deux méthodes pour faire interférer des photons provenant des paires de photons distinctes, transférant ainsi l'intrication aux deux photons restants, qui n'ont pas interagi.
Les réseaux quantiques améliorent les systèmes de communication quantique et établissent des connexions entre plusieurs noeuds grâce à la distribution de ressources quantiques, par exemple des états intriqués. Les photons constituent d'excellents porteurs d'information quantique, car ils peuvent transporter ces ressources quantiques à travers des fibres optiques, où les fluctuations environnementales et les pertes optiques sont réduites. L'exploitation d'états quantiques de haute dimension, appelés qudits, permet un transfert d'informations plus dense et une meilleure résistance au bruit que l'utilisation des qubits, leurs équivalents binaires. Passer des qubits aux qudits conduit généralement à plus de complexité expérimentale. L'information quantique peut être encodées dans plusieurs degrés de liberté du photon. On souhaite que l'encodage soit compatible avec les architectures de réseaux quantiques à fibre optique. L'encodage en fréquence est robuste face aux fluctuations de phase ou de polarisation et compatible avec l'infrastructure fibrée existante, tout en permettant l'accès à un espace de Hilbert de haute dimension. Les qudits encodés en fréquence sont manipulés à l'aide de dispositifs fibrés commerciaux, tels que les modulateurs électro-optiques, ce qui permet en outre la parallélisation des opérations. Dans cette thèse de doctorat, nous utilisons des états de Bell encodés en fréquence de dimension d=2 (qubits) et d=3 (qutrits). Nous réalisons une preuve de concept d'un réseau de distribution de clés quantiques basé sur l'intrication, et nous comparons différentes méthodes pour démontrer l'échange d'intrication dans le domaine fréquentiel. Nous utilisons un résonateur spiralé en silicium comme source paramétrique de paires de photons via un mélange à quatre ondes. Nous démontrons un peigne de fréquences et l'accès à 80 modes de fréquentiels. Nous sélectionnons 21 liaisons quantiques capables de transférer des qubits ou des qutrits encodés en 'bins' de fréquence à l'aide d'un seul dispositif expérimental. Nous évaluons et optimisons la source - via la puissance de pompage -, le traitement du signal - via la taille de la fenêtre de coïncidence - et la dimension des qu-d-its jusqu'à d=5 afin de maximiser les performances du réseau quantique de distribution de clés. Nous proposons ainsi une stratégie adaptative pour augmenter le débit d'informations sécurisées transmises en tirant parti de la capacité de codage dense des états quantiques de haute dimension et en bénéficiant du rapport signal sur bruit plus élevé des qubits. Nous montrons qu'on peut ainsi communiquer jusqu'à une distance simulée de 295 km. Nous comparons des méthodes pour démontrer un protocole d'échange d'intrication encodé en fréquence. L'échange d'intrication est une primitive pour les répéteurs quantiques permettant d'augmenter encore la portée de communication. Pour générer une intrication en fréquence entre des photons n'ayant jamais interagi, nous considérons deux paires de photons non corrélées dans le peigne de fréquences en utilisant des modes de fréquence alternés. Nous proposons deux méthodes pour faire interférer des photons provenant des paires de photons distinctes, transférant ainsi l'intrication aux deux photons restants, qui n'ont pas interagi.
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.
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.
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.
Ressources photoniques pour l'implémentation de protocoles de réseaux quantiques La sécurité des réseaux modernes de communication peut être renforcée grâce aux lois de la mécanique quantique. Dans cette thèse, nous développons une source de paires de photons que nous utilisons pour implémenter de nouvelles primitives cryptographiques. Les paires sont utilisées comme des photons uniques annoncés ou des paires intriquées. Nous proposons une méthode afin d'adapter cette source à la génération d'états intriqués multipartites. Nous démontrons la première implémentation d’un tirage à pile-ou-face faible quantique. Il permet à deux joueurs distants de décider d'un gagnant aléatoire. Nous démontrons une version retravaillée et tolérante aux pertes d'un protocole théorique récemment proposé, en utilisant des photons uniques annoncés. Ce protocole est sensible à la triche grâce à une interférence quantique et un commutateur optique rapide. Enfin, nous fournissons un nouveau protocole pour certifier la transmission d'un qubit non-mesuré à travers un canal non-fiable présentant des pertes. Nous testons le canal indépendamment du système de mesure, en utilisant la technique de self-testing des inégalités de Bell ou de steering, grâce à l’utilisation de paires de photons intriqués en polarisation pour sonder le canal. Nous montrons qu'il permet la certification de communications quantiques malgré les pertes induites par le canal.
Protocoles pratiques pour les réseaux de communication quantique Dans cette thèse, nous étudions les réseaux des états optiques quantiques intriqués avec différents degrés de complexité, avec une attention particulière portée à leur application dans des scénarios de communication quantique. Le but de la communication quantique est de permettre à deux ou plusieurs parties de communiquer d'une façon qui serait impossible avec de la technologie classique. L'archétype de ce domaine est la distribution de clé quantique ou quantum key distribution (QKD), qui permet à deux agents de partager une clé aléatoire secrète pour effectuer des communications sécurisées, en empêchant, au même temps, qu'un troisième agent malveillant puisse obtenir connaissance de leur clé. Dans ce manuscrit, cependant, nous explorons des scénarios de communication quantique qui vont au-delà de la QKD standard afin de tester les nombreuses possibilités offertes par les réseaux de dispositifs quantiques interconnectés, aussi appelés internet quantique. Spécifiquement, nous présentons trois types de réseaux quantiques, qui correspondent à trois niveaux de complexité d'internet quantique. Dans chaque niveau, nous décrivons le scénario de communication, les exigences physiques nécessaires pour construire l'architecture spécifique et un nouveau protocole qui ne peut pas être reproduit sans des ressources quantiques. Dans cette document, nous veillons particulièrement à la "praticité" des protocoles, notamment le fait que leur implémentation doit être possible dans des conditions réalistes avec technologie existante, au moins comme preuve du principe. Le premier concerne un protocole quantique à preuves interactives qui montre pour la première fois une preuve expérimentale d'un avantage quantique dans un cadre interactif. Dans ce scénario, il y a un prouveur avec de la puissance calculatoire illimitée qui veut convaincre un vérifieur honnête de l'existence d'une certaine solution d'un problème mathématique complexe, en lui envoyant une partie de la preuve sous forme d'états quantiques. Notre construction permet au vérifieur de vérifier l'assertion du prouveur sans recevoir la solution entière. Nous prouvons que sans ressources quantiques, le protocole de vérification exigerait un temps exponentiel en la taille de la solution, menant à un avantage quantique en terme de temps de calcul, avantage que nous avons démontré dans notre laboratoire. Le deuxième porte sur un protocole de vote électronique qui exploite un état quantique multipartite intriqué non fiable pour réaliser une élection sans s'appuyer sur des autorités électorales, dont le résultat peut être vérifié publiquement sans compromettre la robustesse de la construction et qui peut être implémenté aisément avec les technologies de pointe existantes pour un petit nombre de votant. À l'invers des résultats précédents, notre protocole n'exige pas une émission simultanée et marche aussi dans des scénarios bruyants, où la sécurité est limitée par la fidélité de l'état quantique utilisé. Enfin, nous simulons des états comprimés de la lumière de nombreux modes comme des réseaux quantique Gaussien à variables continues avec des topologies complexes, nous caractérisons leur corrélations et nous estimons l'intensification de leur coût pendant que les réseaux grandissent avec une théorie de ressource de compression. Nous prouvons un résultat qui permet de renforcer l'intrication entre deux nœuds du réseau si on mesure les chemins multiples qui les connectent et nous utilisons cet effet pour concevoir un protocole de routage d'intrication dont les performance sont particulièrement efficace dans des réseaux complexes grands.