Puces photoniques pour la communication quantique longue distance

Photonic chips for long distance quantum communication

• Auteur / Autrice : Anthony Martin
• Direction : Marc De Micheli, Sébastien Tanzilli
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Nice
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optique non linéaire

Optique intégrée

Optique quantique

Mots clés libres

Information quantique

Communication quantique

Résumé

Cette thèse présente l'étude et la réalisation de différents éléments clés pour la communication quantique longue distance. Pour cela, nous tirons parti de l'optique intégré sur niobate de lithium, qui permet de mettre en exergue les propriétés non-linéaires de ce matériau. Après une brève introduction sur l'information quantique, nous permettant de mettre en avant les enjeux actuels du domaine, nous nous intéressons à la réalisation de trois sources de paires de photons intriqués sur les observables polarisation (2) et time-bin (1), émettant aux longueurs d'onde des télécommunications. Ces réalisations font partie des meilleures sources actuelles aussi bien en termes de brillance que de qualité d'intrication mesurée, le tout alliant compacité et simplicité d'utilisation. Dans un second temps, nous présentons l'élaboration et la mise en oeuvre d'un relais quantique entièrement intégré dédié à l'augmentation des distances de communication. Pour ce faire, nous avons mergé au sein d'un même composant, et ce pour la première fois, deux effets non-linéaires, l'un optique-optique pour la génération de paires de photons intriqués, et l'autre électro-optique pour le routage contrôlable des photons. Une expérience d'interférence à deux photons entre un photon émis par la puce et un photon issu d'une source externe nous a permis de valider notre approche en obtenant une visibilité d'interférence de 79%, en parfait accord avec les prédictions théoriques. Cette puce peut devenir un élément clé de la communication quantique car elle permet d'accroître les distances de communication par un facteur 1. 8.

This thesis aims at showing the interest of using integrated optics to enable long distance quantum communication through the realization and demonstration of various key elements. Integrated optics offers indeed several advantages such as high confinement for non-linear interactions, single mode operation, and unrivaled stability. After a short introduction on quantum information to explain the current challenges in this field, we present the realization of three entangled photon pair sources for the polarization (2) and time-bin (1) observables, emitting at telecom wavelengths. These sources are among the best ever reported in terms of brightness and entanglement quality. In the last part, we present the development and the implementation of a more advanced key element, namely a quantum relay chip, necessary to increase the communication distance. For the first time, this realization merges, on the same component, two non-linear effects: one optics-optics useful for the generation of entangled photon pairs, and the other, based on electro-optics for controllable photon routing. A two-photon interference experiment has been carried out between a photon emitted by the chip and another one from an external source. Demonstrating an interference pattern visibility of 79%, in full agreement with the theoretical predictions, enables us to prove the pertinence of our approach and a potential increase of the communication distance by a factor 1. 8.