Ingénierie de l'intrication photonique pour l'information quantique et l'optique quantique fondamentale

Photonic entanglement engineering for quantum information applications and fundamental quantum optics

• Auteur / Autrice : Florian Kaiser
• Direction : Sébastien Tanzilli, Marc De Micheli
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2012
• 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

Intrication quantique

Optique quantique

Résumé

Le but de cette thèse est de développer des sources d’intrication photonique pour étudier les réseaux de communication quantique et l’optique quantique fondamentale. Trois sources très performantes sont construites uniquement autour de composants standards de l’optique intégrée et des télécommunications optiques. La première source génère de l’intrication en polarisation via une séparation déterministe des paires de photons dans deux canaux adjacents des télécommunications. Cette source est donc naturellement adaptée à la cryptographie quantique dans les réseaux à multiplexage en longueurs d’ondes. La seconde source génère, pour la première fois, de l’intrication en time-bins croisés, autorisant l'implémentation de crypto-systèmes quantiques à base d’analyseurs passifs uniquement. La troisième source génère, avec une efficacité record, de l’intrication en polarisation via un convertisseur d’observable temps/polarisation. La bande spectrale des photons peut être choisie sur plus de cinq ordres de grandeur (25 MHz - 4 THz), rendant la source compatible avec toute une variété d’applications avancées, telles que la cryptographie, les relais et les mémoires quantiques. Par ailleurs, cette source est utilisée pour revisiter la notion de Bohr sur la complémentarité des photons uniques en employant un interféromètre de Mach-Zehnder dont la lame séparatrice de sortie se trouve dans une superposition quantique d’être à la fois présente et absente. Enfin, pour adapter la longueur d’onde des paires des photons télécoms intriqués vers les longueurs d’ondes d’absorption des mémoires quantiques actuelles, un convertisseur cohérent de longueur d’onde est présenté et discuté.

The aim of this thesis is to develop sources of photonic entanglement to study both quantum networking tasks and some of the foundations of quantum physics. To this end, three high-performance sources are developed, each of them taking extensively advantage of standard telecom fibre optics components. The first source generates polarization entanglement via deterministic pair separation in two adjacent telecommunication channels. This source is naturally suitable for quantum cryptography in wavelength multiplexed network structures. The second source generates for the first time a cross time-bin entangled bi-photon state which allows for quantum key distribution tasks using only passive analyzers. The third source generates, with a record efficiency, polarization entanglement using an energy-time to polarization entanglement transcriber. The photon spectral bandwidth can be chosen over more than five orders of magnitude (25 MHz - 4 THz). This permits implementing the source into existing telecom networks, but also in advanced quantum relay and quantum memory applications. Moreover, this source is used to revisit Bohr’s single-photon wave-particle complementarity notion via employing a Mach-Zehnder interferometer with an output quantum beam-splitter in a true superposition of being present and absent. Finally, to adapt the wavelength of the entangled telecom photon pairs to the absorption wavelength of current quantum memories, a coherent wavelength converter is presented and discussed.