Certification de non-Gaussianité quantique en optique à variables continues

Quantum non-Gaussianity certification in continuous-variable optics

• Auteur / Autrice : Ganaël Roeland
• Direction : Nicolas Treps, Valentina Parigi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 27/09/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Kastler Brossel (Paris ; 1998-....)
• Jury : Président / Présidente : Eleni Diamanti
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jonas Neergaard-Nielsen
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Rosa Tualle-Brouri, Matteo Paris

Mots clés

Mots clés contrôlés

Oscillateurs paramétriques optiques

Photons uniques

Gauss, Loi de (statistique)

Optique non linéaire

Optique quantique

Mots clés libres

Optique Quantique

Information Quantique

Optique Non-Linéaire

Non-Gaussianité Quantique

Rang Stellaire

Soustraction/Addition de Photons Uniques

Quantum Optics

Quantum Information

Non-Linear Optics

Quantum Non-Gaussianity

Stellar Rank

Single-Photon Subtraction/Addition

Résumé

Cette thèse se concentre sur les aspects théoriques et expérimentaux de la génération et de la certification d'états quantiques non-Gaussiens multimodes de la lumière dans l'optique à variables continues. En ce qui concerne la génération, nous avons étudié théoriquement les conditions pour une addition monomode et mode sélective de photon unique à un champ de lumière multimode, montrant en particulier sous quelles conditions expérimentales une telle addition est réalisable. Nous soulignons également les défis et les avantages uniques des processus de soustraction et d'addition de photon unique. Ce travail peut ouvrir la voie à la mise en œuvre expérimentale d'une addition de photon unique sur un état multimode de la lumière. Dans l’expérience, nous avons utilisé un oscillateur paramétrique optique pompé de manière synchrone (SPOPO) avec un peigne de fréquences optiques pour générer des états multimodes de vide comprimé. Nous avons ensuite soustrait un photon unique pour produire un état quantique non-Gaussien. La question qui se pose est la suivante : Comment pouvons-nous certifier la non-Gaussianité quantique ? Cette question est particulièrement pertinente dans le contexte de la croissance rapide du domaine de l'information quantique et de la course à la construction d'ordinateurs quantiques. En collaboration avec le laboratoire LiP6, nous avons développé des méthodes de certification théoriques adaptées aux états générés dans notre expérience. Nous avons dérivé un protocole optimisé d'estimation de la fidélité utilisant la détection double homodyne, permettant de certifier des propriétés non-Gaussiennes quantiques telles que le rang stellaire et la négativité de la fonction de Wigner. Sur le plan expérimental, nous avons construit un détecteur double homodyne et nous avons amélioré l’expérience, notamment en améliorant la gestion de la dispersion intra-cavité du SPOPO et l’implementation d'un asservissement de phase optique. Ces avancées renforcent le caractère multimodal de l'expérience et permettent de réaliser des protocoles autrement hors de portée. Combinant ces travaux théoriques et expérimentaux, nous avons obtenu des résultats préliminaires suggérant que nous sommes sur le point de certifier des états monomodes soustraits d’un photon unique, des états de rang stellaire 1. Le potentiel des travaux futurs comprend la réalisation d'un détecteur double homodyne multimode, la mise en œuvre d’une soustraction à deux photons et la certification d'états de rang stellaire 2.

This thesis focuses on both theoretical and experimental aspects of generating and certifying multimode quantum non-Gaussian states of light in continuous-variable optics. On the generation side, we theoretically investigated conditions for single-mode and mode-selective single-photon addition on a multimode field of light, showing in particular under which experimental conditions it is achievable. We also highlighted the unique challenges and benefits of both subtraction and addition processes. The insights obtained from this work may pave the way for experimental implementation of a single-photon addition on a multimode state of light. In the experiment, we used a synchronously pumped optical parametric oscillator (SPOPO) with an optical frequency comb to generate multimode squeezed vacuum states. We then subtracted a single photon to produce a quantum non-Gaussian state. Arises the question: How can we certify quantum non-Gaussianity? This question is particularly relevant in the context of the rapidly growing field of quantum information and of the race for building quantum computers. In collaboration with the LiP6 laboratory, we developed theoretical certification methods suitable for the states generated in our experiment. We derived an optimized fidelity estimation protocol using the double homodyne detection, allowing for the certification quantum non-Gaussianity features such as stellar rank and Wigner negativity. On the experimental side, we constructed a double homodyne detector and we made improvements to the setup, including better management of the intra-cavity dispersion of the SPOPO and the creation of an optical phase lock. These advancements enhance the multimodeness of the experiment, and allow for protocols otherwise out of reach. Bridging both theoretical and experimental works, we obtained preliminary results suggesting that we are on the brink of certifying stellar rank 1 single-mode single-photon subtracted states. The potential for future work includes the realization of a multimode double homodyne detector, the implementation of two-photon subtraction, and the certification of stellar rank 2 states.