Multiplexage temporel et fréquentiel pour les réseaux quantiques à variables continues

Time and Frequency Multiplexing for Continuous-Variable Quantum Networks

• Auteur / Autrice : Francesca Sansavini
• Direction : Valentina Parigi, Sabrina Maniscalco, Nicolas Treps
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 14/12/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université en cotutelle avec Helsingin yliopisto (Finland)
• 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 : Paolo Muratore Ginanneschi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Giulia Ferrini, Marco Bellini

Mots clés

Mots clés contrôlés

Théorie de l'information quantique

États comprimés (optique)

Optique quantique

Mots clés libres

Réseaux quantiques

Optique quantique

États comprimés

Information quantique

Quantum networks

Quantum optics

Squeezed states

Quantum Information

Résumé

Les champs de lumière quantique multimode ont émergé en tant qu'outil prometteur pour la génération d'états intriqués multipartites, aussi appelés états cluster, et pour l'avancement des technologies de l'information quantique à variables continues (CV). Dans notre approche, les nœuds du réseau intriqué représentent des modes temporels/fréquentiels du champ électromagnétique, tandis que les liens correspondent à des corrélations d'intrication adaptées. Dans cette thèse, nous démontrons la génération d'états comprimés multimodes qui sont multiplexés à la fois dans le domaine temporel et spectral. Notre configuration est basée sur une série d'impulsions ultracourtes qui alimentent un processus de conversion paramétrique descendante spontanée dans un guide d'ondes non linéaire périodiquement polarisé de KTP. Dans ce contexte, nous avons produit le plus grand nombre de modes spectraux de vide comprimé mesurés par détection homodyne dans une configuration à passage unique. De plus, nous avons effectué des mesures impulsion par impulsion, confirmant l'existence de la structure spectrale multimode au niveau de l’impulsion individuelle ; ceci ouvre la voie à la génération de structures intriquées au taux de répétition du laser. Alors que le multiplexage temporel a déjà permis la génération des plus grands états de cluster CV, la compression multimode dans les modes spectraux d'une source femtoseconde offre une reconfigurabilité complète du réseau d'intrication. En plus de la génération de réseaux intriqués multiplexés, cette thèse explore d'autres types d'applications du traitement de l'information quantique exploitant la lumière comprimée multimode. Le grand nombre de modes pulsés nous permet d'implémenter des marches quantiques sur un graphe à des fins de recherche (de façon analogue à l’algorithme de Grover). De plus, la lumière comprimée multimode a également été exploitée dans ce travail pour étudier le domaine des simulations quantiques, et en particulier pour observer l'émergence d'effets de synchronisation quantique.

Multimode quantum light fields have emerged as a promising tool for the generation of multipartite entangled states, known as cluster states, and the advancement of continuous-variable (CV)-based quantum information technologies. In our approach, the nodes of the entangled network represent individual temporal/frequency modes of the electromagnetic field, while the links are tailored entanglement correlations. In this thesis we demonstrate the generation of multimode squeezed states that are multiplexed both in the temporal and in the spectral domain. Our setup is based on a train of ultrashort pulses that drive a spontaneous parametric down conversion process in a non-linear periodically poled KTP waveguide. Here, we produced the largest number of spectral modes of squeezed vacuum measured via homodyne detection in a single-pass configuration. Moreover, we performed pulse-resolved (pulse-by-pulse) squeezing measurements, confirming the existence of the multimode spectral structure at a single pulse level; this paves the for generating entangled structures at the repetition rate of the laser. While temporal multiplexing has already enabled the generation of the largest CV-cluster states, multimode squeezing in the spectral modes of a femtosecond source provides complete reconfigurability of the entanglement network. In addition to the generation of multiplexed entangled networks, this thesis explores other types of quantum information processing applications for multimode squeezed light. The high number of pulsed modes allows us to implement quantum walks on a graph for search purposes, analogously to the Grover algorithm. Multimode squeezed light has also been exploited in this work to investigate the field of quantum simulations, and in particular to observe the emergence of quantum synchronization effects.