Circuit optique sur LiNbO3 pour un relais quantique intégré

Optical chip on lithium niobate for an integrated quantum relay

• Auteur / Autrice : Guillaume Bertocchi
• Direction : Pascal Baldi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Nice
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice2000-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électrooptique

Optique quantique

Cryptographie

Optique non linéaire

Optique intégrée

Résumé

Ce manuscrit présente l’étude numérique, les étapes de fabrication et la caractérisation expérimentale d’un circuit optique intégré destiné à être le cœur d’un relai quantique fonctionnant pour des qubits encodés sur des photons aux longueurs d’ondes télécoms. Malgré les progrès technologiques de la photonique et des télécoms, les pertes dans les fibres optiques et surtout le bruit dans les détecteurs limitent les distances de communication quantique à une centaine de kilomètres. Le relai quantique, basé sur le protocole de la téléportation d’états, permet d’augmenter le rapport signal sur le bruit de la communication et donc de repousser cette distance maximale. Dans ce cadre, l’optique intégrée permet d’obtenir une taille et une stabilité favorisant l’insertion du relais dans des systèmes de communication quantique fibrés. Nous avons adapté un modèle de relai quantique à notre cas particulier montrant l’intérêt d’une telle structure avec des paramètres réalistes. Nous avons ensuite déterminé par simulation BPM les propriétés des différentes fonctions qui composent la puce optique. Il s’agit en effet d’obtenir sur le même composant un générateur de paires de photons et deux coupleurs directionnels 50/50 contrôlés électro-optiquement. De plus, toutes les entrées/sorties de la puce ont été pourvues de guides segmentés pour l’optimisation des interfaces fibres/guides. Les caractérisations classiques et en régime comptage de photons ont permis de valider toutes les fonctions optiques mentionnées et de conclure que cette « puce relai » permettrait d’augmenter la distance d’un lien de communication quantique d’un facteur 1,7.

This manuscript presents the numerical study, manufacture processes, and experimental characterization of an integrated optical circuit intended to be at the heart of a quantum relay particularly designed for qubits encoded on photos as telecom wavelengths. In spite of progress in photonics and telecommunications technologies, losses in optical fibres and especially darkcounts in the detectors limit the maximum achievable distance for quantum communication to about a hundred kms. The quantum relay, based on quantum teleportation, makes it possible to increase the communication signal-to-noise ratio and thus to push this maximum distance forward. In this context, we show that integrated optics offers compact and stable components suitable for insertion of a “relay-ship” in fibre-based quantum communication systems. We adapted a quantum relay model to our particular case showing the relevance of such a structure with realistic parameters. Subsequently we determined the properties of all the necessary optical functions using BPM simulation. Actually, a photon-pair source and two electro-optically controlled, 50 / 50 beam splitters have to be merged on a single chip. In addition, tapered-waveguide sections have been designed at each input / output of the chip in order to improve coupling between fibres and integrated structures. All the required optical functions on the chip were tested and validated by performing characterizations in both classical and single-photon regimes. As a conclusion, we showed that this “quantum relay-chip” could increase the maximal achievable distance of a quantum communication link by a factor of 1,7.