Ce travail s’oriente sur le développement d’une nouvelle source à visé de spatialisation générant des paires de photons intriquées, utilisable pour un protocole de distribution quantique de clefs au travers de l’atmosphère. Nous étudions en premier lieu différentes observables quantiques applicables à ce lien de communication entre un satellite et une station au sol. Ceci nous permet ainsi d’identifier les encodages les plus robustes et d’assurer la fidélité de la mesure. La seconde étude s’oriente sur l’atmosphère et son impacte sur la propagation à différentes longueurs d’onde. Nous prenons également en compte l’aspect directionnel du lien, celui-ci impactant différemment si la source est au sol avec les détecteurs dans le satellite ou si la source est embarquée à bord du satellite et les détecteurs sont au sol. Il en résulte que le couple de longueurs d’ondes à 810 nm et 1550 nm sont deux candidats prometteurs. Par conservation de l’énergie il apparait qu’un laser à 532 nm permet de générer cette paire de longueur d’onde. Ces lasers présentent l’avantage d’avoir une haute maturité technologique, nous donnant ainsi accès à un laser de pompe de haute puissance et présentant une importante longueur de cohérence, supérieure à la centaine de mètres. Enfin, nous présentons comment nous avons réalisés notre source de paires de photons intriquées sur deux observables à deux longueurs d’ondes distinctes en optique de volume. Le choix de la configuration Sagnac permet de générer des paires de photons intriquées à 810 et 1550 nm. Cette configuration permet d’observer de l’intrication en polarisation tout en gardant son avantage d’être auto-stabilisée. Le processus de génération des paires de photons permet d’exploiter l’observable énergie-temps. Nous avons une visibilité supérieure à 99% sur ces deux observables.
Ce travail s’oriente sur le développement d’une nouvelle source à visé de spatialisation générant des paires de photons intriquées, utilisable pour un protocole de distribution quantique de clefs au travers de l’atmosphère. Nous étudions en premier lieu différentes observables quantiques applicables à ce lien de communication entre un satellite et une station au sol. Ceci nous permet ainsi d’identifier les encodages les plus robustes et d’assurer la fidélité de la mesure. La seconde étude s’oriente sur l’atmosphère et son impacte sur la propagation à différentes longueurs d’onde. Nous prenons également en compte l’aspect directionnel du lien, celui-ci impactant différemment si la source est au sol avec les détecteurs dans le satellite ou si la source est embarquée à bord du satellite et les détecteurs sont au sol. Il en résulte que le couple de longueurs d’ondes à 810 nm et 1550 nm sont deux candidats prometteurs. Par conservation de l’énergie il apparait qu’un laser à 532 nm permet de générer cette paire de longueur d’onde. Ces lasers présentent l’avantage d’avoir une haute maturité technologique, nous donnant ainsi accès à un laser de pompe de haute puissance et présentant une importante longueur de cohérence, supérieure à la centaine de mètres. Enfin, nous présentons comment nous avons réalisés notre source de paires de photons intriquées sur deux observables à deux longueurs d’ondes distinctes en optique de volume. Le choix de la configuration Sagnac permet de générer des paires de photons intriquées à 810 et 1550 nm. Cette configuration permet d’observer de l’intrication en polarisation tout en gardant son avantage d’être auto-stabilisée. Le processus de génération des paires de photons permet d’exploiter l’observable énergie-temps. Nous avons une visibilité supérieure à 99% sur ces deux observables.
Ce travail s’oriente sur le développement d’une nouvelle source à visé de spatialisation générant des paires de photons intriquées, utilisable pour un protocole de distribution quantique de clefs au travers de l’atmosphère. Nous étudions en premier lieu différentes observables quantiques applicables à ce lien de communication entre un satellite et une station au sol. Ceci nous permet ainsi d’identifier les encodages les plus robustes et d’assurer la fidélité de la mesure. La seconde étude s’oriente sur l’atmosphère et son impacte sur la propagation à différentes longueurs d’onde. Nous prenons également en compte l’aspect directionnel du lien, celui-ci impactant différemment si la source est au sol avec les détecteurs dans le satellite ou si la source est embarquée à bord du satellite et les détecteurs sont au sol. Il en résulte que le couple de longueurs d’ondes à 810 nm et 1550 nm sont deux candidats prometteurs. Par conservation de l’énergie il apparait qu’un laser à 532 nm permet de générer cette paire de longueur d’onde. Ces lasers présentent l’avantage d’avoir une haute maturité technologique, nous donnant ainsi accès à un laser de pompe de haute puissance et présentant une importante longueur de cohérence, supérieure à la centaine de mètres. Enfin, nous présentons comment nous avons réalisés notre source de paires de photons intriquées sur deux observables à deux longueurs d’ondes distinctes en optique de volume. Le choix de la configuration Sagnac permet de générer des paires de photons intriquées à 810 et 1550 nm. Cette configuration permet d’observer de l’intrication en polarisation tout en gardant son avantage d’être auto-stabilisée. Le processus de génération des paires de photons permet d’exploiter l’observable énergie-temps. Nous avons une visibilité supérieure à 99% sur ces deux observables.
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.
Cette thèse traite du développement de deux sources de paires de photons intriqués pour des applications de communication et cryptographie quantiques. La première est une source fibrée “plug-and-play" de haute efficacité permettant de générer de l'intrication en énergie-temps et en polarisation dans la bande des télécoms pour des applications de cryptographie quantique dans des réseaux à fibre optique et à segment spatial. La seconde est une source générant de l'intrication sur la base des états de Fock dans le but de mettre en oeuvre un protocole de cryptographie quantique, reposant sur l'intrication, et indépendant du matériel employé. La première partie de ce manuscrit introduit les bases de la communication classique et des protocoles de sécurité actuels, avant de présenter la cryptographie quantique comme alternative. Elle développe les concepts fondamentaux sur lesquels est basée la sécurité de ces protocoles ainsi que les limitations inhérentes aux réseaux déployés, notamment en termes de distance. Deux solutions sont présentées pour les outrepasser : l'utilisation de répéteurs quantiques et la propagation en espace libre par voie spatiale. Les contraintes associées à ces approches sont également discutées. Sont détaillées par la suite la conception et la caractérisation d'une source de paires de photons intriqués, répondant aux exigences des réseaux à fibre optique et à segment spatial, et permettant un encodage de l'information sur plusieurs observables. À ce titre, sont discutées les différentes observables, le montage expérimental permettant leur mise en oeuvre ainsi que les contraintes découlant des spécifications mentionnées. À partir de celles-ci, une architecture finale est définie, et la caractérisation complète de cette source est présentée. La source est intégrée au réseau de cryptographie quantique Quantum@UniCA, au sein duquel elle est testée en conditions réelles pour ses performances en termes de taux de clefs et d'erreurs sur les deux observables d'encodage. En complément, des mesures en espace libre sont présentées afin d'ouvrir la voie à des liaisons quantiques satellites-sol. La seconde partie de ces travaux présente une autre source pour un nouveau type de protocole, appelé “Device-independant" ou DI, qui permet de s'affranchir du besoin de caractériser les systèmes utilisés pour l'échange de clef. Ces protocoles sont fondamentaux car ils permettent de résoudre l'une des limitations de la cryptographie quantique : l'imperfection de l'implémentation expérimentale. Cette partie présente donc le contexte et les enjeux de ce type de protocoles ainsi que les différentes étapes de ceux-ci. Elle met en évidence les points communs et les différences entre les protocoles utilisés dans la première partie et celui-ci et détaille le design de l'expérience retenue pour essayer d'aboutir à la première réalisation expérimentale d'un protocole de DI-QKD photonique.
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.
Ce travail porte sur la conception et la caractérisation de sources semiconductrices d'états à deux photons pour l'information quantique intégrée. Ces dispositifs, basés sur la fluorescence paramétrique dans des guides d'onde en AlGaAs, émettent des paires de photons à température ambiante aux longueurs d'onde des télécommunications. La première source est une diode laser émettrice de photons jumeaux, basée sur un accord de phase modal entre un mode laser de Bragg à 775 nm injecté électriquement et les modes de photons télécom au sein du même guide d'onde. Nous détaillons le design de la structure, sa caractérisation optique linéaire et non linéaire et son comportement sous injection de courant. L'obtention de l'émission laser et de la génération de seconde harmonique sur un même dispositif ouvre la voie vers une source ultra-compacte de paires de photons. Le second dispositif étudié repose sur une géométrie de pompage transverse où un faisceau laser incident sur le dessus du guide génère deux photons télécom guidés et contrapropageants. Nous explorons la grande versatilité de l'état quantique des paires générées par cette source, avec notamment les possibilités d'ingénierie de l'état dans le domaine fréquenciel offertes par cette géométrie. Nous présentons également la première démonstration expérimentale d'états intriqués en polarisation obtenue avec ce dispositif, ainsi qu'un modèle permettant de calculer la qualité de l'intrication à partir des distributions spatiales et spectrales du faisceau de pompe. Ces sources d'états non classiques, compactes et injectables électriquement, sont d'excellents candidats pour les implémentations photoniques de l'information quantique.
Vers les technologies quantiques basées sur l’intrication photonique Le but de cette thèse est de développer des sources d’intrication photonique en vue d'applications en sciences information quantique. Dans ce contexte, nous présentons une source très performante et entièrement guidée permettant, au moyen d'une boucle de Sagnac, la génération d'états hyper-intriqués en polarisation et en énergie-temps. La configuration guidée rend le dispositif versatile, efficace et compatible avec une large bande spectrale, répondant ainsi au besoin des systèmes et réseaux de communication fibrés. À cette fin, nous avons distribué simultanément dans différents canaux télécoms des paires de photons hyper-intriqués au moyen de multiplexeurs en longueur d'onde à 5 canaux (DWDM), augmentant de fait le débit. La qualité de l'intrication est validée par la violation d'une inégalité de Bell étendue à un espace de Hilbert à 16 dimensions. Afin de pouvoir interfacer des photons aux longueurs d'ondes des télécommunications avec les bandes d'absorption des mémoires quantiques situées dans le visible, nous avons également développé une interface cohérente en longueur d'ondes. Un nouveau dispositif de métrologie quantique permettant la mesure avec une précision inégalée des effets de la dispersion chromatique dans les fibres optiques standards est également proposé. Notre approche "quantique" améliore la précision par un facteur 2.6 par rapport aux méthodes de mesures conventionnelles. Dans ce même contexte, nous avons aussi implémenté un nouveau protocole de métrologie de la phase de deux photons en ne détectant uniquement qu'un seul photon. Cette réalisation ouvre la voie à des applications potentielles simples s'appuyant sur peu de ressources au niveau de la détection. Finalement, dans la perspective de la miniaturisation de dispositifs quantiques, nous avons démontré un générateur d'intrication annoncée intégré sur puce qui trouve des applications en calcul et métrologie quantique.