Encoder, détecter et décoder des images dans les corrélations quantiques En photonique quantique, les paires de photons intriqués constituent une ressource fondamentale, à la fois pour l'étude des fondements de la mécanique quantique et pour des applications émergentes telles que l'informatique quantique, les communications sécurisées, l'imagerie et la détection. En pratique, ces paires peuvent être générées de manière fiable par conversion paramétrique spontanée dans un cristal non linéaire. Les propriétés de ces photons sont alors déterminées par le type et la géométrie du cristal, ainsi que par les caractéristiques du faisceau de pompe. Le contrôle de ces propriétés s'avère crucial pour de nombreuses applications. Dans cette thèse, nous montrons comment les corrélations spatiales des paires de photons intriqués peuvent être structurées en images d'amplitude et de phase arbitraires en modulant l'illumination du cristal. L'image d'un objet réel peut ainsi être efficacement encodée dans les corrélations des paires, tout en demeurant invisible pour les mesures d'intensité conventionnelles. Cette technique établit ainsi une nouvelle approche de l'imagerie optique, dans laquelle les informations de l'objet sont portées par les corrélations entre les photons plutôt que par l'intensité ou la phase des champs optiques, comme dans les méthodes classiques. Nous utilisons cette technique pour proposer un nouveau paradigme d'imagerie à travers les milieux diffusants, lesquels perturbent fortement la propagation de la lumière et rendent l'imagerie classique inefficace. Les approches classiques - telles que l'inversion computationnelle ou le contrôle de front d'onde - permettent, en principe, de compenser la diffusion, mais elles se révèlent en pratique très sensibles au bruit et aux pertes, et n'offrent qu'un contrôle limité des modes. À l'inverse, notre approche exploite une propriété fondamentale de l'intrication quantique : la préservation des corrélations entre photons sur plusieurs bases de mesure. En modulant le désordre optique engendré par un milieu diffusant, les images encodées dans les corrélations quantiques peuvent être reconstruites par détection de coïncidences, sans jamais inverser le processus de diffusion. Ce travail démontre la possibilité d'encoder, de détecter et de transmettre des informations à haute dimension à l'aide de corrélations quantiques, ouvrant ainsi de nouvelles perspectives pour la communication et l'imagerie quantiques.
Encoder, détecter et décoder des images dans les corrélations quantiques En photonique quantique, les paires de photons intriqués constituent une ressource fondamentale, à la fois pour l'étude des fondements de la mécanique quantique et pour des applications émergentes telles que l'informatique quantique, les communications sécurisées, l'imagerie et la détection. En pratique, ces paires peuvent être générées de manière fiable par conversion paramétrique spontanée dans un cristal non linéaire. Les propriétés de ces photons sont alors déterminées par le type et la géométrie du cristal, ainsi que par les caractéristiques du faisceau de pompe. Le contrôle de ces propriétés s'avère crucial pour de nombreuses applications. Dans cette thèse, nous montrons comment les corrélations spatiales des paires de photons intriqués peuvent être structurées en images d'amplitude et de phase arbitraires en modulant l'illumination du cristal. L'image d'un objet réel peut ainsi être efficacement encodée dans les corrélations des paires, tout en demeurant invisible pour les mesures d'intensité conventionnelles. Cette technique établit ainsi une nouvelle approche de l'imagerie optique, dans laquelle les informations de l'objet sont portées par les corrélations entre les photons plutôt que par l'intensité ou la phase des champs optiques, comme dans les méthodes classiques. Nous utilisons cette technique pour proposer un nouveau paradigme d'imagerie à travers les milieux diffusants, lesquels perturbent fortement la propagation de la lumière et rendent l'imagerie classique inefficace. Les approches classiques - telles que l'inversion computationnelle ou le contrôle de front d'onde - permettent, en principe, de compenser la diffusion, mais elles se révèlent en pratique très sensibles au bruit et aux pertes, et n'offrent qu'un contrôle limité des modes. À l'inverse, notre approche exploite une propriété fondamentale de l'intrication quantique : la préservation des corrélations entre photons sur plusieurs bases de mesure. En modulant le désordre optique engendré par un milieu diffusant, les images encodées dans les corrélations quantiques peuvent être reconstruites par détection de coïncidences, sans jamais inverser le processus de diffusion. Ce travail démontre la possibilité d'encoder, de détecter et de transmettre des informations à haute dimension à l'aide de corrélations quantiques, ouvrant ainsi de nouvelles perspectives pour la communication et l'imagerie quantiques.
En photonique quantique, les paires de photons intriqués constituent une ressource fondamentale, à la fois pour l'étude des fondements de la mécanique quantique et pour des applications émergentes telles que l'informatique quantique, les communications sécurisées, l'imagerie et la détection. En pratique, ces paires peuvent être générées de manière fiable par conversion paramétrique spontanée dans un cristal non linéaire. Les propriétés de ces photons sont alors déterminées par le type et la géométrie du cristal, ainsi que par les caractéristiques du faisceau de pompe. Le contrôle de ces propriétés s'avère crucial pour de nombreuses applications. Dans cette thèse, nous montrons comment les corrélations spatiales des paires de photons intriqués peuvent être structurées en images d'amplitude et de phase arbitraires en modulant l'illumination du cristal. L'image d'un objet réel peut ainsi être efficacement encodée dans les corrélations des paires, tout en demeurant invisible pour les mesures d'intensité conventionnelles. Cette technique établit ainsi une nouvelle approche de l'imagerie optique, dans laquelle les informations de l'objet sont portées par les corrélations entre les photons plutôt que par l'intensité ou la phase des champs optiques, comme dans les méthodes classiques. Nous utilisons cette technique pour proposer un nouveau paradigme d'imagerie à travers les milieux diffusants, lesquels perturbent fortement la propagation de la lumière et rendent l'imagerie classique inefficace. Les approches classiques - telles que l'inversion computationnelle ou le contrôle de front d'onde - permettent, en principe, de compenser la diffusion, mais elles se révèlent en pratique très sensibles au bruit et aux pertes, et n'offrent qu'un contrôle limité des modes. À l'inverse, notre approche exploite une propriété fondamentale de l'intrication quantique : la préservation des corrélations entre photons sur plusieurs bases de mesure. En modulant le désordre optique engendré par un milieu diffusant, les images encodées dans les corrélations quantiques peuvent être reconstruites par détection de coïncidences, sans jamais inverser le processus de diffusion. Ce travail démontre la possibilité d'encoder, de détecter et de transmettre des informations à haute dimension à l'aide de corrélations quantiques, ouvrant ainsi de nouvelles perspectives pour la communication et l'imagerie quantiques.
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.
Transport et manipulation de photons intriqués en milieux complexes La manipulation du front d'onde lumineux a été initialement développée pour corriger les aberrations atmosphériques et permettre une imagerie nette des objets astronomiques. Inspirées par ces avancées, les techniques de mise en forme du front d'onde basées sur des modulateurs spatiaux de lumière ont depuis été adaptées pour étudier la propagation de la lumière dans des environnements très complexes, tels que les milieux désordonnés. Cela a permis de réaliser des progrès significatifs dans la compréhension du transport de la lumière, d'étendre les capacités d'imagerie dans des conditions réelles et même d'ouvrir de nouvelles perspectives pour le calcul optique. Si ces avancées sont longtemps restées confinées au domaine de l'optique classique, l'essor des technologies quantiques repousse désormais les limites du façonnage du front d'onde vers le régime quantique. Les états quantiques de la lumière, notamment les paires de photons intriqués, les états comprimés et les photons uniques, offrent des avantages uniques pour la mesure de précision, la communication sécurisée et l'étude des fondements de la mécanique quantique. Le défi central ne consiste plus seulement à contrôler le profil spatial ou temporel de la lumière, mais aussi à préserver et à manipuler ses propriétés quantiques, telles que l'intrication, tout en traversant des environnements complexes. Relever ce défi est essentiel pour permettre la communication, l'imagerie et le calcul quantiques en conditions réelles. Cette thèse aborde cette problématique en étudiant la propagation des états intriqués à deux photons à travers des systèmes complexes tels que des fibres multimodes ou des couches minces diffusantes. Dans un premier temps, il est montré que la méthode classique de correction du front d'onde, fondée sur la mesure de la matrice de transmission et nécessitant un faisceau laser externe, peut être utilisées pour caractériser et compenser les perturbations introduites par le milieu, permettant ainsi de préserver l'intrication spatiale après la transmission. Par la suite, en combinant les capacités de détection multimode des caméras sensible aux photons uniques, ainsi qu'un modèle théorique décrivant les interférences à deux photons au sein du milieu, j'ai développé un algorithme d'optimisation par rétroaction utilisant les coïncidences spatiales. Cette méthode supprime la nécessité d'un faisceau classique auxiliaire pour corriger les effets de diffusion sur les paires de photons. En parallèle, j'ai étudié la transmission d'états intriqués par polarisation à travers une fibre multimode. Dans ce cas, nous montrons que la certification de l'intrication peut être obtenue sans correction active de la diffusion. La fibre met en œuvre de manière passive la mesure projective pour violer une inégalité de Bell à la sortie. Ensemble, ces résultats établissent de nouveaux outils expérimentaux pour l'utilisation des états quantiques intriqués dans des milieux complexes. Ils contribuent à ouvrir la voie à l'intégration de l'optique quantique dans des environnements réalistes et désordonnés, où les effets de diffusion sont inévitables, et participent ainsi au développement de futures applications en communication, imagerie et information.
La manipulation du front d'onde lumineux a été initialement développée pour corriger les aberrations atmosphériques et permettre une imagerie nette des objets astronomiques. Inspirées par ces avancées, les techniques de mise en forme du front d'onde basées sur des modulateurs spatiaux de lumière ont depuis été adaptées pour étudier la propagation de la lumière dans des environnements très complexes, tels que les milieux désordonnés. Cela a permis de réaliser des progrès significatifs dans la compréhension du transport de la lumière, d'étendre les capacités d'imagerie dans des conditions réelles et même d'ouvrir de nouvelles perspectives pour le calcul optique. Si ces avancées sont longtemps restées confinées au domaine de l'optique classique, l'essor des technologies quantiques repousse désormais les limites du façonnage du front d'onde vers le régime quantique. Les états quantiques de la lumière, notamment les paires de photons intriqués, les états comprimés et les photons uniques, offrent des avantages uniques pour la mesure de précision, la communication sécurisée et l'étude des fondements de la mécanique quantique. Le défi central ne consiste plus seulement à contrôler le profil spatial ou temporel de la lumière, mais aussi à préserver et à manipuler ses propriétés quantiques, telles que l'intrication, tout en traversant des environnements complexes. Relever ce défi est essentiel pour permettre la communication, l'imagerie et le calcul quantiques en conditions réelles. Cette thèse aborde cette problématique en étudiant la propagation des états intriqués à deux photons à travers des systèmes complexes tels que des fibres multimodes ou des couches minces diffusantes. Dans un premier temps, il est montré que la méthode classique de correction du front d'onde, fondée sur la mesure de la matrice de transmission et nécessitant un faisceau laser externe, peut être utilisées pour caractériser et compenser les perturbations introduites par le milieu, permettant ainsi de préserver l'intrication spatiale après la transmission. Par la suite, en combinant les capacités de détection multimode des caméras sensible aux photons uniques, ainsi qu'un modèle théorique décrivant les interférences à deux photons au sein du milieu, j'ai développé un algorithme d'optimisation par rétroaction utilisant les coïncidences spatiales. Cette méthode supprime la nécessité d'un faisceau classique auxiliaire pour corriger les effets de diffusion sur les paires de photons. En parallèle, j'ai étudié la transmission d'états intriqués par polarisation à travers une fibre multimode. Dans ce cas, nous montrons que la certification de l'intrication peut être obtenue sans correction active de la diffusion. La fibre met en œuvre de manière passive la mesure projective pour violer une inégalité de Bell à la sortie. Ensemble, ces résultats établissent de nouveaux outils expérimentaux pour l'utilisation des états quantiques intriqués dans des milieux complexes. Ils contribuent à ouvrir la voie à l'intégration de l'optique quantique dans des environnements réalistes et désordonnés, où les effets de diffusion sont inévitables, et participent ainsi au développement de futures applications en communication, imagerie et information.
Génération sur puce d'états photoniques intriqués à haute dimension Les états non classiques de lumière sont des ressources clés pour les technologies de l'information quantique, grâce à leur facilité de transmission, leur robustesse à la décohérence et leur variété de degrés de liberté utilisables pour coder l'information. Dans ce contexte, cette thèse de doctorat est consacrée au développement de nouvelles sources semi-conductrices de paires de photons. En exploitant la grande flexibilité offerte par la conversion paramétrique spontanée (SPDC en anglais) dans les guides d'ondes AlGaAs, nous démontrons la génération et l'ingénierie d'états non classiques de lumière à haute dimension codés en fréquence. Tout d'abord, nous utilisons une source basée sur un accord de phase contra-propageant et démontrons que l'ingénierie du profil spatial (en intensité et phase) du faisceau de pompe permet de contrôler les corrélations spectrales et la symétrie de la fonction d'onde des paires de photons directement à la génération, sans aucune post-sélection. En particulier, la variation de la taille du faisceau de pompe permet de produire des états en fréquence corrélés, anti-corrélés et séparables en fréquence ; tandis que l'ingénierie du profil de phase spatial permet de passer d'une fonction d'onde spectrale symétrique à antisymétrique et ainsi de modifier la statistique d'échange des photons, comme démontré par interférométrie de Hong-Ou-Mandel. Nous avons aussi exploré des états quantiques encore plus complexes : en effet, nous démontrons que cette source, grâce à sa géométrie et à un traitement antireflet, peut émettre des paires de photons intriqués dans un degré de liberté hybride polarisation/fréquence. Nous développons ensuite un nouveau dispositif formé par un réseau de guides d'ondes non linéaires dessiné pour d'émettre des paires de photons intriqués dans des modes spatiaux grâce à l'effet des marches quantiques en cascade. Nous présentons l'optimisation des procédés de fabrication en salle blanche et des première caractérisation optiques de ce nouveau dispositif.
aImagerie temporelle quantique avec photons uniques et paires de photons Cette thèse étudie diverses utilisations des systèmes d'imagerie temporelle dans le domaine des communications quantiques et des tâches de traitement de l'information. Premièrement, nous proposons une application de l'imagerie temporelle quantique pour restaurer l'indiscernabilité des photons signal et complémentaire produits lors d'une conversion paramétrique spontanée de type II avec une pompe à large bande pulsée. Nous savons que dans ce cas, le signal et les photons libres ont des propriétés spectrales et temporelles différentes. Nous démontrons que l'insertion d'une lentille temporelle dans un bras de l'interféromètre et le choix approprié de son facteur de grossissement rétablissent une parfaite indiscernabilité du signal et des photons signal et complémentaire une visibilité à 100% de l'interférence de Hong-Ou-Mandel dans la limite de dispersion du retard du groupe focal élevée de la lentille temporelle. Deuxièmement, nous constatons qu'un système d'imagerie à lentille temporelle unique transmet toujours un "chirp" temporel résiduel à l'image, ce qui peut être préjudiciable aux réseaux quantiques, où l'image temporelle interagit avec d'autres champs. Par conséquent, nous montrons qu'un système d'imagerie à deux lentilles temporelles satisfaisant la condition télescopique, un télescope temporel, est nécessaire et suffisant pour créer une image sans chirp. Nous développons également une théorie générale d'un télescope temporel, trouvons les conditions de minimisation des pertes et montrons comment un télescope temporel non inverseur créant une image droite réelle d'un objet temporel peut être construit. Enfin, nous étudions la possibilité de mesurer la fonction d'autocorrélation du second ordre résolue dans le temps de l'un des deux faisceaux générés lors d'une conversion paramétrique descendante de type II en utilisant un grossissement temporel de ce faisceau, amenant son temps de corrélation de la picoseconde à l'échelle de la nanoseconde, résoluble par photodétecteurs modernes. Nous montrons qu'une telle mesure permet de déduire directement le degré de cohérence globale de ce faisceau, qui est lié par une simple relation au nombre de modes de Schmidt caractérisant l'intrication entre les deux faisceaux générés.