Architectures en optique guidée pour la génération et la tomographie d'états non-gaussiens Le calcul quantique à variables continues exploite les champs électromagnétiques. Le multiplexage génère des états intriqués massifs, appelés états graphes. Ces structures supportent le calcul quantique par la mesure. Les opérations purement gaussiennes restreignent la puissance de calcul. Le théorème de Gottesman-Knill démontre qu'un algorithme classique simule efficacement un circuit optique gaussien. L'avantage quantique nécessite l'introduction de processus non-gaussiens. La génération d'états chaton de Schrödinger répond à ce besoin. Ces états non-classiques autorisent la réalisation de portes logiques non-linéaires. Ils fournissent les ressources des codes de correction d'erreurs de Gottesman-Kitaev-Preskill. La production de ces ressources constitue un problème physique. Les états purs subissent une décohérence rapide sous l'effet des pertes optiques. L'atténuation altère les propriétés quantiques. La fonction de Wigner perd sa négativité. L'état dégénère en un mélange statistique. Jusqu'à présent, les expériences utilisaient des composants en espace libre. Ces configurations macroscopiques présentent une instabilité mécanique contraignante. Ces limites s'opposent à la miniaturisation exigée par les processeurs quantiques. La tomographie requiert des chaînes d'acquisition électronique à très large bande passante. Ces verrous technologiques empêchent la montée en échelle du calcul. Ce manuscrit décrit le développement de générateurs d'états non-gaussiens en ondes guidées. Le système expérimental opère à la longueur d'onde des télécommunications (1560 nm). Un laser pompe des guides d'ondes en niobate de lithium périodiquement polarisé (PPLN). Ces structures cristallines génèrent des états de vide comprimé. Un coupleur fibré prélève une fraction minimale du faisceau. Une cavité Fabry-Pérot filtre ce mode spatial. Un détecteur supraconducteur à nanofils (SNSPD) signale l'arrivée d'un photon unique. Cette détection annonce la soustraction d'un photon du mode optique principal. L'opération projette le système dans un état non-gaussien. L'architecture est intégralement fibrée pour minimiser les pertes. Le montage intègre un protocole de distribution sur deux nœuds distants. Un système d'asservissement stabilise les interféromètres optiques. Le contrôle utilise une sonde contra-propagative, décalée en fréquence de 2,7 GHz. Les mesures expérimentales valident cette architecture. Le dispositif a généré des états chatons de Schrödinger. La reconstruction tomographique homodyne confirme la nature non-gaussienne de la ressource. L'expérience mesure une valeur négative de la fonction de Wigner, W(0,0) = -0,085. Une étude numérique évalue les critères de la tomographie quantique. Les simulations relient la bande passante de détection électronique à la préservation de la négativité. Le respect du théorème de Nyquist-Shannon empêche le repliement spectral du bruit quantique. La bande passante du détecteur doit dépasser cinq fois la largeur de raie de la cavité. Le montage a testé la création d'états intriqués non-gaussiens distants. Le protocole exploite l'effacement temporel de l'information de chemin. La cavité de filtrage allonge le paquet d'onde et supprime la discernabilité due à l'asymétrie des fibres. L'utilisation d'ondes guidées élimine les instabilités des sources non-gaussiennes. La soustraction de photon fournit une génération compatible avec les réseaux fibrés. Ces travaux valident la production expérimentale d'états quantiques ultra-sensibles. Ces résultats constituent une base matérielle pour concevoir des processeurs optiques. La transposition vers la photonique intégrée sur isolant (LNOI) permettra le développement de calculateurs quantiques continus.
Architectures en optique guidée pour la génération et la tomographie d'états non-gaussiens Le calcul quantique à variables continues exploite les champs électromagnétiques. Le multiplexage génère des états intriqués massifs, appelés états graphes. Ces structures supportent le calcul quantique par la mesure. Les opérations purement gaussiennes restreignent la puissance de calcul. Le théorème de Gottesman-Knill démontre qu'un algorithme classique simule efficacement un circuit optique gaussien. L'avantage quantique nécessite l'introduction de processus non-gaussiens. La génération d'états chaton de Schrödinger répond à ce besoin. Ces états non-classiques autorisent la réalisation de portes logiques non-linéaires. Ils fournissent les ressources des codes de correction d'erreurs de Gottesman-Kitaev-Preskill. La production de ces ressources constitue un problème physique. Les états purs subissent une décohérence rapide sous l'effet des pertes optiques. L'atténuation altère les propriétés quantiques. La fonction de Wigner perd sa négativité. L'état dégénère en un mélange statistique. Jusqu'à présent, les expériences utilisaient des composants en espace libre. Ces configurations macroscopiques présentent une instabilité mécanique contraignante. Ces limites s'opposent à la miniaturisation exigée par les processeurs quantiques. La tomographie requiert des chaînes d'acquisition électronique à très large bande passante. Ces verrous technologiques empêchent la montée en échelle du calcul. Ce manuscrit décrit le développement de générateurs d'états non-gaussiens en ondes guidées. Le système expérimental opère à la longueur d'onde des télécommunications (1560 nm). Un laser pompe des guides d'ondes en niobate de lithium périodiquement polarisé (PPLN). Ces structures cristallines génèrent des états de vide comprimé. Un coupleur fibré prélève une fraction minimale du faisceau. Une cavité Fabry-Pérot filtre ce mode spatial. Un détecteur supraconducteur à nanofils (SNSPD) signale l'arrivée d'un photon unique. Cette détection annonce la soustraction d'un photon du mode optique principal. L'opération projette le système dans un état non-gaussien. L'architecture est intégralement fibrée pour minimiser les pertes. Le montage intègre un protocole de distribution sur deux nœuds distants. Un système d'asservissement stabilise les interféromètres optiques. Le contrôle utilise une sonde contra-propagative, décalée en fréquence de 2,7 GHz. Les mesures expérimentales valident cette architecture. Le dispositif a généré des états chatons de Schrödinger. La reconstruction tomographique homodyne confirme la nature non-gaussienne de la ressource. L'expérience mesure une valeur négative de la fonction de Wigner, W(0,0) = -0,085. Une étude numérique évalue les critères de la tomographie quantique. Les simulations relient la bande passante de détection électronique à la préservation de la négativité. Le respect du théorème de Nyquist-Shannon empêche le repliement spectral du bruit quantique. La bande passante du détecteur doit dépasser cinq fois la largeur de raie de la cavité. Le montage a testé la création d'états intriqués non-gaussiens distants. Le protocole exploite l'effacement temporel de l'information de chemin. La cavité de filtrage allonge le paquet d'onde et supprime la discernabilité due à l'asymétrie des fibres. L'utilisation d'ondes guidées élimine les instabilités des sources non-gaussiennes. La soustraction de photon fournit une génération compatible avec les réseaux fibrés. Ces travaux valident la production expérimentale d'états quantiques ultra-sensibles. Ces résultats constituent une base matérielle pour concevoir des processeurs optiques. La transposition vers la photonique intégrée sur isolant (LNOI) permettra le développement de calculateurs quantiques continus.
Génération and charactérisation d'états Gaussien et non-Gaussien de la lumière La lumière offre un potentiel immense pour le développement des technologies quantiques modernes grâce à sa résilience intrinsèque aux effets de décohérence. Une approche prometteuse pour utiliser la lumière dans le traitement de l'information quantique repose sur le régime des variables continues, où les observables d'intérêt sont les quadratures du champ électrique. Ces quadratures se sont révélées être une plateforme efficace pour générer des états intriqués de grande envergure (impliquant jusqu'à un million de modes optiques). De plus, cet intriquement peut être créé de manière déterministe et manipulé facilement avec des techniques optiques standard. Cependant, pour atteindre un avantage quantique - c'est-à-dire effectuer des tâches impossibles à simuler efficacement avec un dispositif classique - il faut aller au-delà de l'intrication. L'ingrédient clé réside dans l'introduction de statistiques non gaussiennes dans les mesures des quadratures, en particulier en créant des états quantiques avec une fonction de Wigner négative. Nous avons récemment développé un dispositif de soustraction de photons modulable en mode, conçu pour générer de tels états. Cela nous offre désormais la possibilité de produire de grands états intriqués et de leur conférer des caractéristiques non gaussiennes, ouvrant ainsi de nouvelles perspectives de recherche. De nombreuses questions restent ouvertes concernant les interactions entre intrication et effets non gaussiens, offrant un champ d'exploration vaste et passionnant. L'un des principaux défis consiste à démontrer que les états générés possèdent les spécificités nécessaires pour être applicables aux tâches d'information quantique. En effet, par nature, il est impossible de réaliser une tomographie complète de ces états multimodes non gaussiens, ce qui impose la mise en œuvre de procédures de certification. L'expérience consiste à manipuler les modes spectraux d'un peigne de fréquences pour concevoir des états gaussiens intriqués, puis à utiliser la soustraction de photons via une somme de fréquences dépendante des modes pour induire des caractéristiques non gaussiennes dans ces états. Les systèmes de détection utilisés pour la certification s'appuient sur un schéma de double détection homodyne, et la méthode de certification est appelée protocole d'estimation des valeurs moyennes en double homodyne. De plus, nous avons récemment développé une méthode permettant d'appliquer l'estimation multiparamétrique à nos états gaussiens, ce qui permet d'estimer efficacement les paramètres des états comprimés. Cette méthode exploite toutes les informations disponibles dans nos mesures pour estimer les paramètres avec une meilleure précision que les techniques courantes. Elle peut être utilisée avec une détection homodyne simple ou une détection homodyne double, chaque schéma de détection offrant des avantages selon la pureté de l'état en entrée.
Ce manuscrit porte sur l’étude théorique de techniques expérimentales récemment développées pour réaliser des protocoles d’information quantique en variables continues. Les états Gaussiens multi-modes produits par conversion paramétrique de peignes de fréquences optiques jouent un rôle centrale dans ce travail. Ce phénomène permet de générer de façon déterministe un grand nombre d’états Gaussiens de la lumière. L’état de sortie peut ensuite être de-Gaussifié par soustraction ou addition d’un photon dans une superposition cohérente de modes du champ, puis mesuré par détection homodyne. La thèse est organisée en trois projets principaux. Le premier concerne l’optimisation du spectre du laser de pompe pour manipuler l’état de sortie de la conversion paramétrique. Nous avons développé les outils mathématiques pour traiter des profils spectraux avec amplitude et phase spectrales arbitraires. On a ensuite utilisé un algorithme d’optimisation pour trouver les spectres maximisant des différentes propriétés de l’état de sortie. Une importance particulière est donnée à la production d’"états cluster" en variables continues. Les optimisations ont été développées pour prendre en compte les limitations expérimentales pour assurer la faisabilité des forme spectrales dans les expériences. Dans le deuxième projet nous avons étudié comment les états non-Gaussiens obtenus par soustraction d’un photon d’un état comprimé peuvent être utilisés pour le calcul quantique. Nous proposons un protocole inspiré par le paradigme de "calcul quantique basé sur la mesure" qui combine l’état de-Gaussifié et la mesure homodyne pour approximer des opérateurs unitaires non-Gaussiens. On montre que les mêmes résultats peuvent être obtenus avec des mesure projectives sur des états de photon unique. Finalement, le troisième projet porte sur le partage de secret quantique ("quantum secret sharing"). Dans les protocoles de partage de secret quantique un donneur veut distribuer de l’information codée dans un système quantique à plusieurs joueurs d’une façon qui oblige des sous-ensembles de joueurs à collaborer s’ils veulent retrouver l’information originale. Nous avons développé un protocole qui peut être transféré aux expériences de notre groupe et nous avons participé à la formulation d’une preuve de concept expérimentale. À partir de cela, nous avons dérivé des résultats généraux sur le partage et la reconstruction d’états arbitraires de la lumière en utilisant des ressources Gaussiennes.
Cette thèse porte sur la génération d'états quantiques mésoscopiques arbitraires de la lumière par l'utilisation itérée d'un protocole élémentaire simple, basé sur un procédé d'adjonction cohérente de photons. Ce protocole tire parti des deux descriptions ondulatoires et corpusculaires complémentaires de la lumière, en impliquant des états davantage propices à une description discrète (les photons, corpuscules élémentaires de la lumière) avec des mesures continues sur le champ électromagnétique (les mesures de quadratures). Nous démontrons la validité du protocole expérimentalement en montrant que celui-ci permet la génération d'états chats de Schrödinger optiques (superposition cohérente d'états quasi-classiques) comprimés en quadrature. Ces états présentent un grand intérêt étant donné qu'ils peuvent constituer la brique élémentaire du calcul quantique à états cohérents, le "qubit" (ou bit quantique). Nous étudions également la mise en oeuvre théorique du protocole dans la production d'états plus complexes : les états "Peignes en quadrature" dont la fonction d'onde sur la quadrature x est constituée d'une succession de fins pics gaussiens modulés par une large enveloppe gaussienne. Outre l'intérêt que ceux-ci présentent dans la mise en oeuvre de codes correcteurs d'erreurs quantiques, nous montrons qu'ils permettent de réaliser des violations des inégalités de Bell par mesures homodynes seulement, ouvrant la voie à des tests sans échappatoires
Cette thèse porte sur la génération d'états quantiques mésoscopiques arbitraires de la lumière par l'utilisation itérée d'un protocole élémentaire simple, basé sur un procédé d'adjonction cohérente de photons. Ce protocole tire parti des deux descriptions ondulatoires et corpusculaires complémentaires de la lumière, en impliquant des états davantage propices à une description discrète (les photons, corpuscules élémentaires de la lumière) avec des mesures continues sur le champ électromagnétique (les mesures de quadratures). Nous démontrons la validité du protocole expérimentalement en montrant que celui-ci permet la génération d'états chats de Schrödinger optiques (superposition cohérente d'états quasi-classiques) comprimés en quadrature. Ces états présentent un grand intérêt étant donné qu'ils peuvent constituer la brique élémentaire du calcul quantique à états cohérents, le "qubit" (ou bit quantique). Nous étudions également la mise en oeuvre théorique du protocole dans la production d'états plus complexes : les états "Peignes en quadrature" dont la fonction d'onde sur la quadrature x est constituée d'une succession de fins pics gaussiens modulés par une large enveloppe gaussienne. Outre l'intérêt que ceux-ci présentent dans la mise en oeuvre de codes correcteurs d'erreurs quantiques, nous montrons qu'ils permettent de réaliser des violations des inégalités de Bell par mesures homodynes seulement, ouvrant la voie à des tests sans échappatoires
Le travail présenté dans cette thèse est principalement divisé en deux parties. Une première partie expérimentale dans laquelle des réalisations basées sur des solutions d’optique guidée et d’optique intégrée à une longueur d’onde télécom sont mises en oeuvre dans les régimes continu et pulsé. La motivation derrière cette partie est de développer des solutions et techniques expérimentales permettant des implémentations de protocoles de communication quantique sur le terrain. La deuxième partie consiste en l’étude théorique de la génération d’états quantiques non gaussiens de haute qualité et de haute amplitude avec des ressources relativement raisonnables. Dans la partie expérimentale, trois réalisations sont présentées. La première consiste à générer des états de type chat de Schrödinger en régime continu à une longueur d’onde télécom utilisant une approche d’optique guidée basée sur des composants fibrés disponibles sur le marché. Une deuxième réalisation consiste en la conception et la caractérisation expérimentale d’une source SPDC guidée pour la génération d’états quantiques discrets et continus de haute qualité ainsi que l’intrication hybride. Enfin, le troisième travail expérimental concerne les premières caractérisations des résonateurs de type micro-anneaux en nitrure de silicium à faible perte et à haut facteur de qualité pour la génération d’intrication multimode dans un peigne de fréquence. Ces implémentations expérimentales sont menées dans le but d’évoluer vers des applications de protocoles de communication quantique hors laboratoire. D’autre part, deux études théoriques sont menées dans la deuxième partie. Dans un premier temps, nous développons un cadre théorique pour décrire l’opération de soustraction de photons à partir d’un état quantique multimode. En appliquant ce cadre au cas de la production d’états de type chat de Schrödinger, nous montrons que des états non gaussiens de haute qualité peuvent être obtenus avec des solutions simples et non sélectives de mode dans le régime multimode. Ensuite, nous proposons un nouveau protocole pour la génération d’état non gaussien de haute amplitude basé sur les capacités de multiplexage offertes par les sources photoniques, réduisant considérablement la complexité et augmentant les performances par rapport aux protocoles itératifs déjà existants.
Cette thèse porte sur la manipulation d états non-classiques de la lumière, en vue d applications à l information quantique. Nous montrons que les outils théoriques et expérimentaux propres à une approche discrète, où la lumière est décrite comme un ensemble de photons, peuvent être efficacement combinés avec une approche continue, où l on s intéresse aux quadratures de l onde électromagnétique. On peut ainsi créer, transformer et analyser des états quantiques complexes. Nous avons préparé des impulsions lumineuses ultrabrèves dans des états "chat de Schrödinger" (superpositions quantiques d'états cohérents). Le champ électromagnétique de l'onde lumineuse n est alors plus décrit par une statistique classique, mais par une fonction de Wigner prenant des valeurs négatives. Grâce à une reconstruction par tomographie homodyne, nous avons réalisé la première observation expérimentale de cette négativité pour de petits chatons de Schrödinger en propagation libre. Nous avons ensuite développé et démontré expérimentalement un protocole permettant de préparer des chats de Schrödinger optiques de taille arbitraire et d'ouvrir la voie vers de multiples applications en information quantique. Nous avons également montré que la soustraction conditionnelle de photons permettait d augmenter l intrication d'états gaussiens. Avec cette approche, nous avons intriqué deux impulsions séparées et indépendantes, en utilisant un canal quantique de fortes pertes. On peut ainsi préparer, entre deux sites éloignés, des états fortement intriqués à fonction de Wigner négative, élément essentiel pour la distillation d intrication et les communications quantiques à grande distance.