L'optique linéaire a été l'un des premiers candidats pour le calcul quantique. Elle présente plusieurs avantages majeurs : une grande robustesse face à la décohérence, une compatibilité naturelle avec les systèmes de communication quantique et un fonctionnement possible à température ambiante. Cependant, son développement a été freiné par des difficultés importantes, notamment une forte sensibilité aux pertes de photons et l'absence de portes d'intrication déterministes. L'émergence de systèmes à émetteurs quantiques, combinant un qubit de spin et la capacité d'émettre des photons intriqués, ouvre aujourd'hui une voie prometteuse. Ces systèmes offrent de nouvelles perspectives pour surmonter les limites historiques de l'optique linéaire, en particulier dans le cadre du calcul quantique tolérant aux fautes (FTQC). Dans cette thèse, j'étudie comment générer efficacement de l'intrication entre qubits photoniques en utilisant l'optique linéaire. J'explore de nouvelles architectures de calcul quantique tolérantes aux défaillances, qui associent les outils de l'optique linéaire à la génération d'intrication basée sur des émetteurs quantiques. L'objectif central est de concevoir un schéma de calcul à la fois robuste face aux pertes de photons et adapté aux contraintes physiques de la création d'intrication dans les plateformes photoniques. Je présente des résultats qui mettent en lumière certaines limitations fondamentales de la génération d'intrication en optique linéaire. En particulier, j'analyse les contraintes liées à la préparation d'états intriqués à deux photons, tant dans les régimes de génération post-sélectionnée que dans ceux à signalement (heralded). J'introduis également une nouvelle interprétation des interféromètres de mesure intriquante, tels que la mesure de Bell optique, qui conduit à la conception de nouvelles portes d'intrication à signalement pour les qubits photoniques. Enfin, j'étudie une architecture originale de calcul quantique tolérant aux fautes basée sur des émetteurs quantiques et j'en évalue les performances de tolérance aux erreurs dans différents modèles de bruit pertinents. Le calcul s'effectue sur les degrés de liberté de spin des émetteurs quantiques, tandis que les opérations d'intrication sont réalisées via des mesures intriquantes sur les photons émis. Cette architecture hybride vise à conserver les atouts des systèmes photoniques tout en atténuant leurs deux principales faiblesses : la perte de photons et l'intrication probabiliste. Elle se distingue par une utilisation efficace des ressources et ouvre de nouvelles perspectives pour la conception d'architectures FTQC, notamment grâce à une mise en œuvre efficace de circuits fondés sur les codes de Floquet.
L'optique linéaire a été l'un des premiers candidats pour le calcul quantique. Elle présente plusieurs avantages majeurs : une grande robustesse face à la décohérence, une compatibilité naturelle avec les systèmes de communication quantique et un fonctionnement possible à température ambiante. Cependant, son développement a été freiné par des difficultés importantes, notamment une forte sensibilité aux pertes de photons et l'absence de portes d'intrication déterministes. L'émergence de systèmes à émetteurs quantiques, combinant un qubit de spin et la capacité d'émettre des photons intriqués, ouvre aujourd'hui une voie prometteuse. Ces systèmes offrent de nouvelles perspectives pour surmonter les limites historiques de l'optique linéaire, en particulier dans le cadre du calcul quantique tolérant aux fautes (FTQC). Dans cette thèse, j'étudie comment générer efficacement de l'intrication entre qubits photoniques en utilisant l'optique linéaire. J'explore de nouvelles architectures de calcul quantique tolérantes aux défaillances, qui associent les outils de l'optique linéaire à la génération d'intrication basée sur des émetteurs quantiques. L'objectif central est de concevoir un schéma de calcul à la fois robuste face aux pertes de photons et adapté aux contraintes physiques de la création d'intrication dans les plateformes photoniques. Je présente des résultats qui mettent en lumière certaines limitations fondamentales de la génération d'intrication en optique linéaire. En particulier, j'analyse les contraintes liées à la préparation d'états intriqués à deux photons, tant dans les régimes de génération post-sélectionnée que dans ceux à signalement (heralded). J'introduis également une nouvelle interprétation des interféromètres de mesure intriquante, tels que la mesure de Bell optique, qui conduit à la conception de nouvelles portes d'intrication à signalement pour les qubits photoniques. Enfin, j'étudie une architecture originale de calcul quantique tolérant aux fautes basée sur des émetteurs quantiques et j'en évalue les performances de tolérance aux erreurs dans différents modèles de bruit pertinents. Le calcul s'effectue sur les degrés de liberté de spin des émetteurs quantiques, tandis que les opérations d'intrication sont réalisées via des mesures intriquantes sur les photons émis. Cette architecture hybride vise à conserver les atouts des systèmes photoniques tout en atténuant leurs deux principales faiblesses : la perte de photons et l'intrication probabiliste. Elle se distingue par une utilisation efficace des ressources et ouvre de nouvelles perspectives pour la conception d'architectures FTQC, notamment grâce à une mise en œuvre efficace de circuits fondés sur les codes de Floquet.
Calcul quantique tolérant aux défaillances avec des émetteurs quantiques L'optique linéaire a été l'un des premiers candidats pour le calcul quantique. Elle présente plusieurs avantages majeurs : une grande robustesse face à la décohérence, une compatibilité naturelle avec les systèmes de communication quantique et un fonctionnement possible à température ambiante. Cependant, son développement a été freiné par des difficultés importantes, notamment une forte sensibilité aux pertes de photons et l'absence de portes d'intrication déterministes. L'émergence de systèmes à émetteurs quantiques, combinant un qubit de spin et la capacité d'émettre des photons intriqués, ouvre aujourd'hui une voie prometteuse. Ces systèmes offrent de nouvelles perspectives pour surmonter les limites historiques de l'optique linéaire, en particulier dans le cadre du calcul quantique tolérant aux fautes (FTQC). Dans cette thèse, j'étudie comment générer efficacement de l'intrication entre qubits photoniques en utilisant l'optique linéaire. J'explore de nouvelles architectures de calcul quantique tolérantes aux défaillances, qui associent les outils de l'optique linéaire à la génération d'intrication basée sur des émetteurs quantiques. L'objectif central est de concevoir un schéma de calcul à la fois robuste face aux pertes de photons et adapté aux contraintes physiques de la création d'intrication dans les plateformes photoniques. Je présente des résultats qui mettent en lumière certaines limitations fondamentales de la génération d'intrication en optique linéaire. En particulier, j'analyse les contraintes liées à la préparation d'états intriqués à deux photons, tant dans les régimes de génération post-sélectionnée que dans ceux à signalement (heralded). J'introduis également une nouvelle interprétation des interféromètres de mesure intriquante, tels que la mesure de Bell optique, qui conduit à la conception de nouvelles portes d'intrication à signalement pour les qubits photoniques. Enfin, j'étudie une architecture originale de calcul quantique tolérant aux fautes basée sur des émetteurs quantiques et j'en évalue les performances de tolérance aux erreurs dans différents modèles de bruit pertinents. Le calcul s'effectue sur les degrés de liberté de spin des émetteurs quantiques, tandis que les opérations d'intrication sont réalisées via des mesures intriquantes sur les photons émis. Cette architecture hybride vise à conserver les atouts des systèmes photoniques tout en atténuant leurs deux principales faiblesses : la perte de photons et l'intrication probabiliste. Elle se distingue par une utilisation efficace des ressources et ouvre de nouvelles perspectives pour la conception d'architectures FTQC, notamment grâce à une mise en œuvre efficace de circuits fondés sur les codes de Floquet.
Les boîtes quantiques semiconductrices se sont imposées comme une plateforme prometteuse pour le calcul quantique, car elles sont capables de générer des photons uniques à la demande avec un taux d'émission élevé et une haute indiscernabilité. De plus, en confinant un spin unique, elles permettent d'obtenir une interface spin-photon qui combine les avantages des qubits photoniques et des qubits de matière. Cette interface peut être utilisée pour générer de façon déterministe des états intriqués appelés états de cluster, qui sont des ressources cruciales pour le calcul quantique basé sur la mesure.Générer de façon efficace ces états intriqués spin-photon constitués de beaucoup de particules avec une haute fidélité est un défi majeur qui requiert un important degré de contrôle sur le spin. Dans cette thèse de doctorat, nous abordons ces défis et démontrons la génération de grands états de cluster comprenant jusqu'à neuf photons. En outre, nous introduisons des techniques optiques de rotation de spin pour générer des états appelés caterpillar. Ces techniques nous permettent également d'implémenter un découplage dynamique pour réduire les effets de décohérence liés à l'interaction hyperfine entre le spin résident et les spins nucléaires environnants.Enfin, nous introduisons une architecture hybride appelée SPOQC (calcul quantique spin optique) qui exploite les propriétés photoniques pour interconnecter des qubits de spin stationnaires et permettre le calcul quantique tolérant aux fautes. De plus, nous démontrons une première preuve de principe de l'implémentation d'une porte à deux qubits qui est critique pour cette architecture.
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.
Les ordinateurs quantiques exploitent les principes de la physique quantique pour encoder et traiter l'information, avec le potentiel de surpasser les capacités des ordinateurs classiques dans certains domaines. Cette thèse explore l'une des technologies majeures du calcul quantique : l'optique linéaire, où les calculs sont effectués à l'aide de photons traversant des circuits d'optique linéaire.Si ces circuits sont bien compris et simulables à petite échelle, leur véritable intérêt apparaît à grande échelle lorsqu'ils atteignent des régimes hors de portée du calcul classique. Cette thèse s'intéresse à cette transition sous deux aspects : sur le plan calculatoire d'une part, en développant des modèles plus efficaces pour repousser les limites des simulations classiques, et sur le plan formel d'autre part, en modélisant à un niveau plus abstrait les circuits optiques et leurs interactions.En simulation, l'un des défis majeurs est le calcul efficace des probabilités de sortie des circuits. Nous présentons dans cette thèse de nouveaux algorithmes pour calculer plusieurs de ces probabilités, où l'utilisation de la mémoire est optimisée pour significativement réduire le temps de calcul. Ce travail mène au développement de Perceval, une plateforme logicielle open-source dédiée au calcul quantique photonique.Sur le plan théorique, nous introduisons un cadre formel et diagrammatique qui capture pleinement la structure des processus d'optique linéaire. Plus précisément, nous utilisons le formalisme des langages graphiques pour modéliser ces circuits. Nous établissons une théorie équationnelle complète, démontrant que deux circuits équivalents d'optique linéaire peuvent toujours être réécrits localement avec notre ensemble d'équations.Enfin, nous montrons comment nos contributions ont des applications à la fois en physique et en informatique quantique théorique. En particulier, nous étendons notre théorie équationnelle complète des circuits optiques à une théorie équationnelle complète pour les circuits quantiques, résolvant ainsi un problème ouvert des dernières décennies.
Les ordinateurs quantiques exploitent les principes de la physique quantique pour encoder et traiter l'information, avec le potentiel de surpasser les capacités des ordinateurs classiques dans certains domaines. Cette thèse explore l'une des technologies majeures du calcul quantique : l'optique linéaire, où les calculs sont effectués à l'aide de photons traversant des circuits d'optique linéaire.Si ces circuits sont bien compris et simulables à petite échelle, leur véritable intérêt apparaît à grande échelle lorsqu'ils atteignent des régimes hors de portée du calcul classique. Cette thèse s'intéresse à cette transition sous deux aspects : sur le plan calculatoire d'une part, en développant des modèles plus efficaces pour repousser les limites des simulations classiques, et sur le plan formel d'autre part, en modélisant à un niveau plus abstrait les circuits optiques et leurs interactions.En simulation, l'un des défis majeurs est le calcul efficace des probabilités de sortie des circuits. Nous présentons dans cette thèse de nouveaux algorithmes pour calculer plusieurs de ces probabilités, où l'utilisation de la mémoire est optimisée pour significativement réduire le temps de calcul. Ce travail mène au développement de Perceval, une plateforme logicielle open-source dédiée au calcul quantique photonique.Sur le plan théorique, nous introduisons un cadre formel et diagrammatique qui capture pleinement la structure des processus d'optique linéaire. Plus précisément, nous utilisons le formalisme des langages graphiques pour modéliser ces circuits. Nous établissons une théorie équationnelle complète, démontrant que deux circuits équivalents d'optique linéaire peuvent toujours être réécrits localement avec notre ensemble d'équations.Enfin, nous montrons comment nos contributions ont des applications à la fois en physique et en informatique quantique théorique. En particulier, nous étendons notre théorie équationnelle complète des circuits optiques à une théorie équationnelle complète pour les circuits quantiques, résolvant ainsi un problème ouvert des dernières décennies.
La correction d'erreurs quantiques et les protocoles tolérants aux fautes ont été développés pour protéger l'information quantique d'inévitables erreurs affectant les bits quantiques, les qubits. Ces aspects de l'informatique quantique sont toutefois très coûteux en termes de ressources physiques ce qui représente un grand défi pour la réalisation expérimentale. Plusieurs études ont montré que les qubits présentant un modèle d'erreurs ayant une certaine structure dite asymétrique permettent l'optimisation de la correction d'erreurs et de protocoles tolérants aux fautes. Cette optimisation mène à l'amélioration de la performance de la correction d'erreurs et une diminution des ressources nécessaires aux algorithmes tolérants aux fautes. Dans ce mémoire, nous étudions le qubit de chats composé d'états chats stabilisés dans un résonateur supraconducteur micro-ondes dans l'architecture de l'électrodynamique quantique en circuit. Nous montrons que le modèle d'erreurs du qubit de chats, donné par la perte de photons, possède la propriété d'asymétrie. La performance de la correction d'erreurs est évaluée avec ce modèle d'erreurs et nous montrons qu'il est avantageux en principe d'utiliser le qubit de chats. Finalement, nous développons une opération quantique importante avec le qubit de chats. Cette opération permet l'intrication entre deux qubits et elle possède la propriété cruciale de préserver le bruit asymétrique, un aspect souvent impossible pour cette opération avec un qubit typique. L'utilisation de cette opération procure des avantages majeurs aux protocoles tolérants aux fautes permettant une protection efficace contre le bruit asymétrique.