Chapitre 4. Les capteurs du futur : percevoir l’impossible avec des technologies quantiques

Giuliano Benenti, Giulio Casati, Simone Montangero +1 more

Raphaël Maurel

Santiago Scheiner

Réseaux sécurisés de capteurs quantiques Les réseaux quantiques constituent un cadre puissant pour interconnecter des systèmes quantiques spatialement séparés et permettre la distribution de ressources quantiques entre plusieurs nœuds. De telles plateformes offrent de nouvelles possibilités pour des tâches telles que la communication sécurisée, le calcul distribué et la détection améliorée par des effets quantiques. Par conséquent, elles ont suscité un intérêt croissant au cours des dernières décennies, tant de la part des communautés théoriques qu’expérimentales en information quantique. Cette thèse présente plusieurs travaux unifiés par le thème de la privacité dans les réseaux de capteurs quantiques. Tout d’abord, le Chapitre 1 introduit le contexte et la motivation de cette thèse, ainsi que les bases techniques nécessaires aux chapitres suivants, couvrant des concepts fondamentaux de l’information quantique, les états de graphe et la vérification d’états, jusqu’aux éléments clés de la métrologie quantique et de l’information de Fisher, qui donnent naissance à la notion de privacité dans les réseaux quantiques et à la formulation de protocoles d’estimation de paramètres privés. En s’appuyant sur ce dernier principe, nous discutons de la manière dont une notion de privacité peut être formulée dans le cadre des systèmes quantiques. La thèse examine ensuite plusieurs aspects de ce cadre. Tout d’abord, dans le Chapitre 2, elle explore l’interaction entre la précision d’estimation et la privacité dans le cas où plusieurs agents d’un réseau quantique estiment collectivement une combinaison linéaire de leurs paramètres locaux. Ce chapitre comprend une méthode permettant de déterminer les états optimaux assurant la privacité pour la fonction cible souhaitée, une manière de quantifier le niveau de privacité dû au bruit en fonction de la proximité des états utilisés avec l’état sonde optimal, ainsi que certaines garanties de privacité pour certaines familles d’états. Par la suite, dans le Chapitre 3, elle examine les défis et les limitations qui apparaissent lors de la mise en œuvre expérimentale de protocoles de détection en réseau, en présentant la première implémentation complète de l’estimation privée de paramètres dans des réseaux de capteurs quantiques. Ensuite, dans le Chapitre 4, ce travail étudie comment de tels protocoles peuvent être étendus pour intégrer des fonctionnalités de sécurité supplémentaires, telles que l’anonymat. Enfin, dans le Chapitre 5, il analyse des variantes de ces protocoles utilisant des états de graphe afin d’offrir une robustesse accrue face au bruit, tout en garantissant la privacité dans l’estimation de paramètres globaux au sein du réseau.

Michèle Leduc, Sébastien Tanzilli

La seconde révolution quantique utilise aujourd'hui les concepts quantiques de superposition ou d'intrication d'objets microscopiques que l'on a appris à contrôler individuellement. Les capteurs tels que gyromètres, gravimètres, horloges à atomes froids fournissent déjà des outils d'une sensibilité insurpassable. Des problèmes inaccessibles aux supercalculateurs trouvent des solutions avec des simulations pour la physique de systèmes formés d'un grand nombre d'objets quantiques en interaction, tandis que les travaux sur l'ordinateur quantique se multiplient. Enfin les communications à distance vont bientôt pouvoir être mieux sécurisées grâce aux progrès de la cryptographie quantique.

Philippe Grangier

Soizic Hello

Le travail présenté dans ce manuscrit porte sur le développement d'un capteur inertiel basé sur des atomes froids piégés sur une puce atomique pour la navigation inertielle. Basés sur les principes de l'interférométrie atomique, ces dispositifs exploitent les propriétés quantiques des atomes froids pour mesurer avec précision les accélérations et les rotations. La complexité expérimentale et l'encombrement de ces expériences de laboratoire constituent des obstacles majeurs pour certaines applications embarquées. A la fin des années 1990, il a été démontré la possibilité de piéger et manipuler des atomes sur des puces atomiques, rendant possible une réduction significative de la taille des capteurs à atomes froids ainsi que de leur consommation énergétique. Ces travaux de thèse s'inscrivent dans un effort de miniaturisation et d'optimisation des capteurs quantiques, visant à démontrer la faisabilité d'une architecture compacte.Notre capteur inertiel est basé sur une séquence de Ramsey avec une séparation spatiale des états internes, rendant l'interféromètre sensible aux accélérations.Nous démontrons en particulier un bruit sur la mesure d'accélération de 3 mg par coup et une étude approfondie du budget de bruit de l'accéléromètre est également réalisée.En plus de la réduction de la taille du capteur lui-même avec une puce atomique, un travail est effectué sur la miniaturisation du système optique nécessaire à la préparation des faisceaux laser de l'expérience. En collaboration avec Exail, nous avons conçu un banc optique miniature d'un volume de 4,4 L permettant de refroidir les atomes dans un piège magnéto-optique 3D et promet de réduire davantage la taille des capteurs à atomes froids pour des applications embarquées.