Traitement quantique de l'information dans le domaine des fréquences d'états photoniques quantiques multimodes générés par des sources intégrées aux longueurs d'ondes télécom

Frequency-domain quantum information processing with multimode quantum states of light from integrated sources at telecom wavelengths

• Auteur / Autrice : Antoine Henry
• Direction : Isabelle Zaquine, Nadia Belabas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 18/12/2023
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Traitement et communication de l'information (Paris ; 2003-....) - Laboratoire de Traitement et Communication de l'Information
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement opérateur d'inscription : Télécom Paris (Palaiseau, Essonne ; 1878-....)
• Jury : Président / Présidente : Sara Ducci
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sara Ducci, Michael Kues, Yannick Dumeige, Benoit Valiron, Ségolène Olivier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michael Kues, Yannick Dumeige

Mots clés

Mots clés contrôlés

Téléportation quantique

Optique quantique

Théorie de l'information quantique

Mots clés libres

Information quantique

Multimode

Portes quantiques

Optique quantique

Qubits fréquentiels

Quantum information

Multimode

Quantum gates

Quantum optics

Frequency qubits

Résumé

En information quantique, un encodage sur les degrés de liberté temps et fréquence donne accès à un espace de Hilbert de grande dimension pour les états photoniques ce qui autorise le traitement en parallèle d'un grand nombre de qubits voire de qudits. C'est dans ce cadre que se situe cette thèse sur la génération et la manipulation d'états quantiques photoniques aux longueurs d'onde télécom. Nous présentons trois réalisations. La première est la génération efficace de paires de photons par processus non-linéaire du second et du troisième ordre dans des sources intégrées innovantes : un guide en niobate de lithium sur isolant, en couche mince et à inversion de domaines periodique, et un micro-résonateur en silicium sur isolant possédant un intervalle spectral libre de 21 GHz. La deuxième est le développement de concepts, de modèles et d'optimisations numériques pour la manipulation de qubits et qudits photoniques dans les espaces temps fréquence avec des éléments linéaires. Nous utilisons des filtres programmables (PF) et des modulateurs de phase électro-optiques (EOM). Nous comparons les performances théoriques de portes à 1 qubit pour deux configurations de composants [EOM-PF-EOM] et [PF-EOM-PF] dans les deux types d'encodage temps et fréquence. La troisième est la démonstration expérimentale d'une telle manipulation de qubits fréquentiels issus du microrésonateur en Silicium. Nous utilisons la configuration [EOM-PF-EOM] pour implémenter une porte quantique reconfigurable et accordable. Un seul paramètre variable permet de passer d'une porte identité à une porte Hadamard, ainsi qu'à un continuum de portes intermédiaires. Nous démontrons la parallélisation de 34 de ces portes appliquées à 17 états à deux qubits intriqués en fréquence générés par le résonateur. Nous utilisons ensuite ces portes pour réaliser la tomographie quantique des états intriqués et pour mettre en oeuvre un protocole de distribution de clef quantique basé sur l'intrication des deux photons en fréquence. Nous faisons finalement la démonstration inédite d'un réseau multi-utilisateur sans nœuds sécurisés en encodage fréquentiel. Cette expérience constitue une preuve de principe pour la distribution de clé quantique dans le domaine fréquentiel avec un débit de 2 bits par seconde en simultané pour chacune des paires d'utilisateurs dans un réseau de 5 utilisateurs.

In quantum information, encoding in time and frequency degrees of freedom gives access to a high-dimensional Hilbert space for photonic states, enabling parallel processing of a large number of qubits or even qudits. This is the scope of our work on the generation and manipulation of photonic quantum states at telecom wavelengths with three main achievements. The first one is the efficient generation of photon pairs by second and third-order nonlinear processes in innovative integrated sources: a thin-film, periodically-poled lithium niobate-on-insulator waveguide, and a silicon-on-insulator micro-resonator with a free spectral range of 21 GHz. The second one is the development of concepts, models, and numerical optimizations for the manipulation of photonic qubits and qudits in time-frequency spaces with linear devices. We use programmable filters (PF) and electro-optical phase modulators (EOM). We compare the theoretical performance of 1-qubit gates for two configurations [EOM-PF-EOM] and [PF-EOM-PF] in both time and frequency encoding. The third one is the experimental demonstration of such manipulation of frequency qubits from the silicon microresonator. We use the [EOM-PF-EOM] configuration to implement a reconfigurable and tunable quantum gate. A single tunable parameter is used to go from an identity gate to a Hadamard gate, as well as to a continuum of intermediate gates. We then use these gates to perform quantum tomography of entangled states and to implement a quantum key distribution protocol based on two-photon frequency entanglement. Finally, we demonstrate a frequency-encoded multi-user network without trusted nodes. This experiment constitutes a proof of principle for quantum key distribution in the frequency domain at a rate of 2 bits per second simultaneously for each pair of users in a 5-user network.