Les métasurfaces optiques, des éléments optiques plans nanostructurés, représentent une plateforme émergente pour la réalisation de composants miniaturisés et plus facilement intégrables dans les domaines de la science et de la technologie quantiques. Dans cette thèse, nous démontrons que des métasurfaces optiques conçues de manière inverse peuvent être utilisées pour la discrimination d’états quantiques de polarisation de photons uniques. Cette métasurface optique repose sur des nanostructures périodiques en silicium amorphe, dont les paramètres géométriques ont été optimisés. Nous simulons ces métasurfaces à l’aide de la méthode d’analyse rigoureuse des ondes couplées (RCWA) et utilisons des approches d’optimisation globale et locale afin de maximiser la probabilité de succès de la discrimination des états quantiques. Nous présentons des exemples de conceptions permettant de distinguer trois états de polarisation miroir-symétriques de photons uniques. Nous comparons la conception de deux types de structures : un réseau de nanopiliers à section rectangulaire dans le plan et une métasurface de forme libre. Les deux conceptions tiennent compte des contraintes expérimentales telles que les pertes optiques, et atteignent des probabilités de succès en discrimination proches du maximum théorique. En particulier, nous concevons la structure de forme libre à l’aide de l’optimisation topologique avec différentiation automatique, en prenant en compte la robustesse face aux déviations induites par la fabrication. Notre travail met en évidence le potentiel des métasurfaces en tant qu’outils efficaces pour les applications photoniques quantiques, en offrant une solution compacte et évolutive pour les tâches nécessitant une discrimination robuste des états. Ces résultats ouvrent une nouvelle voie pour l’exploration des technologies basées sur les métasurfaces dans l’avancement des protocoles de communication quantique et du traitement de l’information quantique photonique
Les métasurfaces optiques, des éléments optiques plans nanostructurés, représentent une plateforme émergente pour la réalisation de composants miniaturisés et plus facilement intégrables dans les domaines de la science et de la technologie quantiques. Dans cette thèse, nous démontrons que des métasurfaces optiques conçues de manière inverse peuvent être utilisées pour la discrimination d’états quantiques de polarisation de photons uniques. Cette métasurface optique repose sur des nanostructures périodiques en silicium amorphe, dont les paramètres géométriques ont été optimisés. Nous simulons ces métasurfaces à l’aide de la méthode d’analyse rigoureuse des ondes couplées (RCWA) et utilisons des approches d’optimisation globale et locale afin de maximiser la probabilité de succès de la discrimination des états quantiques. Nous présentons des exemples de conceptions permettant de distinguer trois états de polarisation miroir-symétriques de photons uniques. Nous comparons la conception de deux types de structures : un réseau de nanopiliers à section rectangulaire dans le plan et une métasurface de forme libre. Les deux conceptions tiennent compte des contraintes expérimentales telles que les pertes optiques, et atteignent des probabilités de succès en discrimination proches du maximum théorique. En particulier, nous concevons la structure de forme libre à l’aide de l’optimisation topologique avec différentiation automatique, en prenant en compte la robustesse face aux déviations induites par la fabrication. Notre travail met en évidence le potentiel des métasurfaces en tant qu’outils efficaces pour les applications photoniques quantiques, en offrant une solution compacte et évolutive pour les tâches nécessitant une discrimination robuste des états. Ces résultats ouvrent une nouvelle voie pour l’exploration des technologies basées sur les métasurfaces dans l’avancement des protocoles de communication quantique et du traitement de l’information quantique photonique
Cette thèse de doctorat porte sur l'optimisation d'une bibliothèque de composants photoniques individuels en silicium afin de construire des circuits complexes pour des applications quantiques. Divers composants, dont des filtres de Bragg, des résonateurs et des coupleurs modal d'addition, ont été étudiés en profondeur et intégrés dans des circuits complexes. Ces circuits ont fait l'objet d'une caractérisation quantique qui a donné des résultats prometteurs. Nous démontrons un générateur de paires de photons intriqués déterministe entièrement sur puce sur la plateforme SOI 300 nm, en utilisant uniquement des composants passifs. La conception est conforme aux normes industrielles CMOS. Le circuit intègre trois étapes: la génération de paires de photons intriqués, le filtrage de la pompe et le démultiplexeur en longueur d'onde (WDM). Pour l'entrée et la sortie, nous avons utilisé des réseaux en forme de L optimisés pour une perte ultra-faible de 2,5 dB. Les paires de photons intriqués sont générées par un mélange spontané à quatre ondes (SFWM) à travers un simple résonateur en anneau. L'anneau est couplé de manière critique à un guide d'onde bus, ce qui permet d'obtenir un facteur de qualité supérieur à 150k avec une gamme spectrale libre (FSR) d'environ 100 GHz, correspondant à la grille de l'UIT. Essentiel pour les performances du circuit, l'étage de filtrage de la pompe suit l'approche multi-étapes de la cohérence brisée en incorporant des courbes de métamatériaux conçus afin d'éliminer les ondes de polarisation TM. Il en résulte ainsi un taux de réjection supérieur à 80 dB. Il convient de noter que cette approche a été transposée avec succès à la technologie SiN par notre groupe. Enfin, l'étage WDM se compose d'un coupleur modal d'addition en cascade à deux sections et d'un réseau de Bragg effilé adiabatique, conçu pour une diaphonie ultra-faible (moins de 40 dB) et pertes d'insertion minimales. Ce circuit intégré combine avec succès toutes les étapes nécessaires à la génération et au traitement de paires de photons intriqués sur la puce. Après avoir effectué une caractérisation classique et pris en compte les pertes, des caractérisations quantiques ont été réalisées à l'aide de détecteurs de photons uniques à nanofils supraconducteurs (SNSPD) dans une configuration de coïncidence. Les mesures d'interférence des paires intriquées ont été réalisées à l'aide d'un interféromètre de Michelson de type Franson. La visibilité des figures d'interférence a été déterminée en ajustant la différence de phase de l'interféromètre. Nous avons obtenu des visibilités brutes et corrigées de 80 % et 98 %, respectivement, avec une stabilité constante des crêtes latérales, ce qui confirme les corrélations quantiques dans nos expériences. C'est la première fois qu'un circuit complexe, comprenant un filtre de pompe et un étage de démultiplexage, est évalué pour sa capacité à produire des paires de photons intriqués.
L'informatique quantique est basée sur des phénomènes de physique quantique, tels que superposition et intrication et elle promet de révolutionner le monde de l'informatique. La photonique est une plateforme de premier plan pour réaliser l'informatique quantique tolérante aux erreurs. Elle possède plusieurs qualités : fonctionnement à température ambiante, fabricabilité à grande échelle à l'aide des fonderies existantes pour les puces de silicium et compatibilité avec les communications optique pour interconnecter différents ordinateurs quantiques.Notre objectif principal est d'automatiser la conception de circuits quantiques photoniques et de leurs interconnexions. Avant de pouvoir fabriquer un véritable ordinateur quantique photonique, il est essentiel de simuler numériquement et d'optimiser les circuits correspondants, qui sont en pratique construits à partir de composants gaussiens tels que des squeezers, des séparateurs de faisceaux, des déphaseurs et des détections homodynes. Pour atteindre l'universalité, nous avons également besoin d'effets non gaussiens, qui peuvent être fournis par des détecteurs résolvant le nombre de photons. Nous concevons des circuits à partir de cette boîte à outils et les optimisons pour diverses applications en utilisant divers algorithmes de descente de gradient, dont certains que nous avons adaptés à notre objectif.Les principaux apports sont :1. En photonique, les représentations de l'espace de Fock et de l'espace de phase sont des formalismes utiles pour décrire les états et les transformations quantiques. Nous introduisons une représentation unifiée dans l'espace de Fock de tous les objets gaussiens en termes d'une seule relation de récurrence linéaire qui peut générer de manière récursive leurs amplitudes dans l'espace de Fock.2. On retrouve la règle de composition des opérations gaussiennes dans l'espace de Fock, qui permet d'obtenir la bonne phase globale lors de la composition des opérations gaussiennes (normalement absente), et donc d'étendre notre modèle à des états qui s'écrivent comme combinaisons linéaires de gaussiennes.3. Notre représentation récursive est différentiable, permettant à calculer des gradients. Nous adaptons ensuite l'optimisation basée sur les gradients au problème d'optimisation des circuits. Nous implémentons un optimiseur Euclidien afin d'optimiser chaque composant. Ensuite, nous étudions deux manières de prendre en compte la géométrie: d'abord, nous appliquons l'optimisation Riemannienne, en combinant toutes les opérations gaussiennes en une transformation globale pour trouver ensuite la transformation optimisée, et la décomposer en composants optiques fondamentaux. Deuxièmement, nous généralisons une version complexe du gradient naturel pour les circuits afin d'accélérer le processus d'apprentissage.4. Nous donnons également quelques stratégies optimales basées sur les tâches pour utiliser nos relations de récurrence. De nouveaux algorithmes sont proposés pour calculer, par exemple, les amplitudes d'un état mixte et la matrice de transformation des interféromètres. De plus, nous dérivons un algorithme de contraction rapide pour les transformations gaussiennes, qui nous permet de "fusionner" le calcul des amplitudes d'une transformation gaussienne et son action sur n'importe quel état.5. Avec la simulation sur des circuits quantiques photoniques différentiables construits à partir de la relation de récurrence, nous pouvons concevoir automatiquement des circuits quantiques photoniques. Nous donnons la préparation de l'état comme premier exemple ; nous trouvons des circuits capables de produire des états de haute fidélité dans un temps raisonnable. Nous pouvons aussi optimiser un interféromètre à 216 modes pour rendre une expérience d'échantillonnage de boson gaussien difficile à usurper.6. Nous avons rendu ce travail accessible dans diverses bibliothèques open source: TheWalrus, StrawberryFields, Poenta et MrMustard.
Conception automatisée de circuits quantiques photoniques L'informatique quantique est basée sur des phénomènes de physique quantique, tels que superposition et intrication et elle promet de révolutionner le monde de l'informatique. La photonique est une plateforme de premier plan pour réaliser l'informatique quantique tolérante aux erreurs. Elle possède plusieurs qualités : fonctionnement à température ambiante, fabricabilité à grande échelle à l'aide des fonderies existantes pour les puces de silicium et compatibilité avec les communications optique pour interconnecter différents ordinateurs quantiques.Notre objectif principal est d'automatiser la conception de circuits quantiques photoniques et de leurs interconnexions. Avant de pouvoir fabriquer un véritable ordinateur quantique photonique, il est essentiel de simuler numériquement et d'optimiser les circuits correspondants, qui sont en pratique construits à partir de composants gaussiens tels que des squeezers, des séparateurs de faisceaux, des déphaseurs et des détections homodynes. Pour atteindre l'universalité, nous avons également besoin d'effets non gaussiens, qui peuvent être fournis par des détecteurs résolvant le nombre de photons. Nous concevons des circuits à partir de cette boîte à outils et les optimisons pour diverses applications en utilisant divers algorithmes de descente de gradient, dont certains que nous avons adaptés à notre objectif.Les principaux apports sont :1. En photonique, les représentations de l'espace de Fock et de l'espace de phase sont des formalismes utiles pour décrire les états et les transformations quantiques. Nous introduisons une représentation unifiée dans l'espace de Fock de tous les objets gaussiens en termes d'une seule relation de récurrence linéaire qui peut générer de manière récursive leurs amplitudes dans l'espace de Fock.2. On retrouve la règle de composition des opérations gaussiennes dans l'espace de Fock, qui permet d'obtenir la bonne phase globale lors de la composition des opérations gaussiennes (normalement absente), et donc d'étendre notre modèle à des états qui s'écrivent comme combinaisons linéaires de gaussiennes.3. Notre représentation récursive est différentiable, permettant à calculer des gradients. Nous adaptons ensuite l'optimisation basée sur les gradients au problème d'optimisation des circuits. Nous implémentons un optimiseur Euclidien afin d'optimiser chaque composant. Ensuite, nous étudions deux manières de prendre en compte la géométrie: d'abord, nous appliquons l'optimisation Riemannienne, en combinant toutes les opérations gaussiennes en une transformation globale pour trouver ensuite la transformation optimisée, et la décomposer en composants optiques fondamentaux. Deuxièmement, nous généralisons une version complexe du gradient naturel pour les circuits afin d'accélérer le processus d'apprentissage.4. Nous donnons également quelques stratégies optimales basées sur les tâches pour utiliser nos relations de récurrence. De nouveaux algorithmes sont proposés pour calculer, par exemple, les amplitudes d'un état mixte et la matrice de transformation des interféromètres. De plus, nous dérivons un algorithme de contraction rapide pour les transformations gaussiennes, qui nous permet de "fusionner" le calcul des amplitudes d'une transformation gaussienne et son action sur n'importe quel état.5. Avec la simulation sur des circuits quantiques photoniques différentiables construits à partir de la relation de récurrence, nous pouvons concevoir automatiquement des circuits quantiques photoniques. Nous donnons la préparation de l'état comme premier exemple ; nous trouvons des circuits capables de produire des états de haute fidélité dans un temps raisonnable. Nous pouvons aussi optimiser un interféromètre à 216 modes pour rendre une expérience d'échantillonnage de boson gaussien difficile à usurper.6. Nous avons rendu ce travail accessible dans diverses bibliothèques open source: TheWalrus, StrawberryFields, Poenta et MrMustard.
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.
Photonique quantique intégrée pour les applications quantiques Cette thèse porte sur la réalisation d’un composant pour la communication quantique à base d’optique intégrée sur niobate de lithium. Nous avons exploité simultanément les propriétés optiques non linéaire et électro-optique du niobate pour générer les états à deux photons configurables et annoncés. En utilisant un laser de pompe en régime picoseconde et des composants issus des technologies des télécommunications, nous avons démontré la capacité à produire divers états à deux photons codés en chemin, montrant 94% de visibilité brute pour l'interférence de type Hong-Ou-Mandel (HOM). La polyvalence et les performances d'une telle source d'intrication photonique aussi fortement intégrée permettent d'explorer des protocoles de traitement de l'information quantique plus complexes trouvant des applications dans les tâches de communication et de métrologie quantiques. Pour permettre l'interférence à deux photons sur la puce, la synchronisation préalable de deux impulsions de pompe à l’entrée de la puce est cruciale. Inspiré par l'expérience des doubles fentes de Young, nous avons synchronisé deux impulsions avec une précision de 100 µm en étudiant le contraste des franges d'interférence lors de la variation du retard relatif de ces impulsions. À l'aide d'un auto-corrélateur et d’un spectromètre, le produit temps-fréquence des impulsions de la pompe a été caractérisé avec précision, puis nous avons identifié la taille des filtres requis pour obtenir des états purs à 99%. La visibilité de l'interférence à deux photons étant liée à la puissance de la pompe, une étude théorique visant à déterminer le niveau de puissance approprié de la pompe a également été réalisée. Enfin, la capacité à générer un état intriqué à deux photons de haute qualité a été démontrée par une mesure de coïncidence quadruple reposant sur des détecteurs supraconducteurs de photons uniques (SNSPD) et un convertisseur temps-numérique programmable. Durant cette thèse, les SNSPDs ont été calibrés, puis un algorithme de comptage logique basé sur Labview a été développé, afin d'enregistrer efficacement et précisément les coïncidences quadruples pour les états N00N et états produits.
Photonique sur silicium pour les communications quantiques Cette thèse de doctorat porte sur l'optimisation d'une bibliothèque de composants photoniques individuels en silicium afin de construire des circuits complexes pour des applications quantiques. Divers composants, dont des filtres de Bragg, des résonateurs et des coupleurs modal d'addition, ont été étudiés en profondeur et intégrés dans des circuits complexes. Ces circuits ont fait l'objet d'une caractérisation quantique qui a donné des résultats prometteurs. Nous démontrons un générateur de paires de photons intriqués déterministe entièrement sur puce sur la plateforme SOI 300 nm, en utilisant uniquement des composants passifs. La conception est conforme aux normes industrielles CMOS. Le circuit intègre trois étapes: la génération de paires de photons intriqués, le filtrage de la pompe et le démultiplexeur en longueur d'onde (WDM). Pour l'entrée et la sortie, nous avons utilisé des réseaux en forme de L optimisés pour une perte ultra-faible de 2,5 dB. Les paires de photons intriqués sont générées par un mélange spontané à quatre ondes (SFWM) à travers un simple résonateur en anneau. L'anneau est couplé de manière critique à un guide d'onde bus, ce qui permet d'obtenir un facteur de qualité supérieur à 150k avec une gamme spectrale libre (FSR) d'environ 100 GHz, correspondant à la grille de l'UIT. Essentiel pour les performances du circuit, l'étage de filtrage de la pompe suit l'approche multi-étapes de la cohérence brisée en incorporant des courbes de métamatériaux conçus afin d'éliminer les ondes de polarisation TM. Il en résulte ainsi un taux de réjection supérieur à 80 dB. Il convient de noter que cette approche a été transposée avec succès à la technologie SiN par notre groupe. Enfin, l'étage WDM se compose d'un coupleur modal d'addition en cascade à deux sections et d'un réseau de Bragg effilé adiabatique, conçu pour une diaphonie ultra-faible (moins de 40 dB) et pertes d'insertion minimales. Ce circuit intégré combine avec succès toutes les étapes nécessaires à la génération et au traitement de paires de photons intriqués sur la puce. Après avoir effectué une caractérisation classique et pris en compte les pertes, des caractérisations quantiques ont été réalisées à l'aide de détecteurs de photons uniques à nanofils supraconducteurs (SNSPD) dans une configuration de coïncidence. Les mesures d'interférence des paires intriquées ont été réalisées à l'aide d'un interféromètre de Michelson de type Franson. La visibilité des figures d'interférence a été déterminée en ajustant la différence de phase de l'interféromètre. Nous avons obtenu des visibilités brutes et corrigées de 80 % et 98 %, respectivement, avec une stabilité constante des crêtes latérales, ce qui confirme les corrélations quantiques dans nos expériences. C'est la première fois qu'un circuit complexe, comprenant un filtre de pompe et un étage de démultiplexage, est évalué pour sa capacité à produire des paires de photons intriqués.