Spatial mode and frequency entanglement in semiconductor photonic circuits

Intrication en modes spatiaux dans des circuits photoniques semiconducteurs

• Auteur / Autrice : Arnault Raymond
• Direction : Sara Ducci, Florent Baboux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 22/03/2023
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Matériaux et phénomènes quantiques (Paris ; 2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Valia Voliotis
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Valia Voliotis, Kamel Bencheikh, Yaron Bromberg, Iacopo Carusotto
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Kamel Bencheikh, Yaron Bromberg

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fluorescence

Intrication quantique

Optique non linéaire

Circuits intégrés photoniques

Théorie de l'information quantique

Mots clés libres

Information quantique

Photonique quantique intégrée

Optique non-linéaire

Circuits photoniques

Intrication

Fluorescence paramétrique

Semi-conducteurs

Simulation quantique

Métrologie quantique

Quantum information

Integrated quantum photonics

Nonlinear optics

Photonic circuits

Entanglement

Parametric fluorescence

Semiconductors

Quantum simulation

Quantrum metrology

Résumé

Au cours des cinquante dernières années, les développements théoriques et technologiques de la mécanique quantique ont conduit à l'émergence d'un nouveau domaine de recherche, l'information quantique, qui exploite directement les particularités des phénomènes quantiques - comme la superposition et l'intrication - pour développer de nouvelles fonctionnalités et atteindre des performances inaccessibles aux systèmes classiques. Le champ de l'information quantique est structuré en quatre axes principaux : le calcul quantique, qui vise une meilleure scalabilité de la complexité des algorithmes, la simulation quantique, qui exploite des systèmes quantiques bien contrôlés pour simuler les propriétés et les comportements de systèmes complexes, la métrologie quantique, où la haute sensibilité des systèmes quantiques est exploitée pour améliorer la précision des mesures, et la communication quantique, qui vise à réaliser une transmission sécurisée d'information. Les contraintes pour la mise en œuvre des protocoles d'information quantique ont conduit à la sélection de plusieurs plateformes physiques prometteuses, comme les systèmes atomiques, les spins électroniques, les qubits supraconducteurs et les photons. Les photons sont particulièrement attractifs de par leur vitesse de propagation, leur robustesse à la décohérence et leur grande variété de degrés de liberté pour coder l'information. En particulier, les degrés de liberté photoniques de haute dimension, comme la fréquence ou les modes spatiaux, offrent de nouvelles possibilités pour l'information quantique, pour des tests fondamentaux de la mécanique quantique comme pour des protocoles de calcul et de communication améliorés. En outre, les systèmes optiques ont bénéficié ces dernières années des développements technologiques des circuits photoniques, permettant la réalisation de plateformes compactes pour la génération, la manipulation et la détection d'états quantiques de lumière. Dans ce contexte, le semi-conducteur AlGaAs, grâce à sa forte non-linéarité du second ordre, sa maturité technologique, son effet électro-optique élevé et son intégrabilité avec des détecteurs de photons unique sur puce, est un candidat prometteur pour la réalisation de circuits photoniques quantiques intégrés. Cette thèse étudie des sources de paires de photons basées sur la fluorescence paramétrique dans des dispositifs photoniques AlGaAs permettant de générer des états quantiques de haute dimension, intriqués en fréquence et en modes spatiaux. La première source étudiée utilise une géométrie de pompe transverse dans un guide d'ondes, permettant de modifier l'état quantique en fréquence des paires de photons par la mise en forme spatiale du faisceau de pompe. Notre source offre en outre la possibilité de contrôler la statistique d'échange des biphotons générés. Le second dispositif est basé sur un réseau de guides d'ondes non linéaires couplés de manière évanescente, pompés dans une géométrie colinéaire, où les photons générés peuvent sauter d'un guide à l'autre, implémentant des marches quantiques aléatoires. Cette configuration permet la génération d'états intriqués spatialement et reconfigurables via le contrôle du faisceau de pompe ou des paramètres du réseau. Les photons sont générés directement dans le dispositif et la génération peut avoir lieu à n'importe quelle position selon l'axe de propagation, permettant d'augmenter la compacité et le niveau d'intrication spatiale tout en ouvrant la voie à des expériences de simulation quantique sur puce. Les deux dispositifs développés fonctionnent à température ambiante et aux longueurs d'onde télécom, compatibles avec une transmission longue-distance des états générés. Ils présentent un fort potentiel d'intégration dans des circuits photoniques AlGaAs plus complexes, et sont donc des candidats prometteurs pour la mise en œuvre de protocoles d'information quantique intégrés sur puce.

In the last fifty years, the theoretical and technological developments of quantum mechanics have led to the emergence of a new research field: quantum information science. It directly exploits the peculiarities of quantum phenomena ' such as superposition and entanglement ' as a resource to develop new functionalities and reach performances unattainable with classical physics. Quantum information is structured into four different axes defined for the future applications of quantum information technologies: quantum computing, i.e. the use of quantum properties to achieve better complexity scaling of algorithms over their classical counterparts, quantum simulation, which exploits well-controlled quantum systems to simulate the properties of more complex and inaccessible systems, quantum metrology, where the high sensitivity of quantum systems to perturbations is harnessed to improve the precision of measurements, and quantum communication, aiming at the realization of secure information transmission. The constraining requirements for the implementation of quantum information protocols have led to the selection of several promising physical platforms, including in particular atomic systems, electronic spins, superconducting qubits and photons. Photons are particularly attractive for their propagation speed, robustness to decoherence, and large variety of degrees of freedom to encode information. In particular, high-dimensional photonic degrees of freedom, such as frequency or spatial modes, provide novel possibilities for quantum information, from fundamental tests of quantum mechanics to enhanced computation and communication protocols. In addition, optical systems have benefited in the recent years from the technological developments of photonic circuits, allowing the implementation of scalable platforms for the generation, manipulation and detection of quantum states of light. In this context, the III-V semiconductor material AlGaAs, with its high second-order nonlinearity, mature fabrication technology, high electro-optic effect and integrability with superconducting nanowire single-photon detectors, is a promising candidate for the realization of integrated quantum photonic circuits in a scalable manner. In this thesis, we demonstrate photon pair sources based on parametric fluorescence in AlGaAs photonic devices allowing to generate high-dimensional quantum states, entangled in frequency and in spatial modes. The first investigated source employs a transverse pump geometry in a single waveguide, offering the possibility to engineer the quantum state of the generated photon pairs in the frequency degree of freedom through the spatial shaping of the pump beam. We exploit it to demonstrate control over the exchange statistics of the generated biphotons. The second demonstrated device is based on an array of evanescently coupled nonlinear waveguides, pumped in a copropagating geometry, where the generated photons can hop from waveguide to waveguide, thus implementing quantum random walks. This leads to the generation of spatially entangled states that are reconfigurable through the spatial profile of the pump beam and the parameters of the array. The photons are generated directly within the device and the generation can take place at any position along the propagation axis, leading to an increased compacity and a higher level of spatial entanglement, while opening the way to the practical implementation of on-chip quantum simulation tasks. The two demonstrated devices operate at room temperature and telecom wavelength, enabling reliable long-distance transmission of the generated photon pairs. They present a strong potential for integration within more complex AlGaAs photonic circuits, and are thus promising candidates for the all-integrated implementation of quantum information protocols on photonic chips.