Avancement des états et mesures non gaussiens - un banc d'essai expérimental pour les réseaux quantiques hétérogènes

Advancing Non-Gaussian states and measurements - an experimental test bed for heterogeneous quantum networks

• Auteur / Autrice : Beate Elisabeth Asenbeck
• Direction : Julien Laurat, Damian J. H. Markham
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 28/06/2024
• 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 : Gwendal Fève
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nadia Belabas
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Yvonne Gao, Christoph Marquardt

Mots clés

Mots clés contrôlés

Téléportation quantique

Théorie de l'information quantique

Optique quantique

Mots clés libres

Optique quantique

Optique hybride

Communication quantique

Information quantique

Non-Gaussian

Téléportation quantique

Quantum optics

Hybrid optics

Quantum communication

Quantum information

Non-Gaussian

Quantum Teleportation

Résumé

Cette thèse porte sur la création et la manipulation d'états non gaussiens dans le but de tester les réseaux quantiques hétérogènes émergents. Ces réseaux sont envisagés pour héberger de multiples plateformes physiques, connectées par des lignes de communication optiques. Les états optiques utilisés pour cette communication devront être adaptés à l'encodage de la plateforme physique à laquelle ils sont connectés, ce qui conduit à une variété de stratégies d'encodage possibles. Dans ce travail, nous développons des critères pour tester la qualité des différents encodages et des outils de référence qui garantissent un transfert d'informations fidèle. En outre, nous montrons que plusieurs encodages peuvent être utilisés simultanément dans le même réseau quantique sans perdre leurs propriétés quantiques lors de la conversion. Nous utilisons des oscillateurs paramétriques optiques de haute qualité, produisant des états comprimés monomodes ou bimodes. Grâce à des détecteurs à photons uniques supraconducteurs, nous créons deux encodages optiques différents représentant un système à deux niveaux et un oscillateur harmonique. Le système à deux niveaux correspond à des superpositions d'excitations de nombres de photons, tandis que l'état de l'oscillateur harmonique à des chats de Schrödinger optiques. En créant une intrication entre ces deux encodages différents, il est possible de les utiliser dans des protocoles de réseau. Ces derniers sont intrinsèquement limités par le taux de réussite et la fidélité des mesures de l'état de Bell. Nous présentons une amélioration de la fidélité de l'état de sortie et de la projectivité d'une mesure linéaire tout-optique de l'état de Bell en combinant la détection de photons uniques avec la sélection en quadrature du champ. L'utilisation de l'intrication hybride avec cette mesure hybride de l'état de Bell permet de convertir un qubit d'entrée à deux niveaux en son équivalent en oscillateur harmonique dans une configuration basée sur la téléportation. Après une analyse approfondie des résultats de l'expérience du convertisseur, nous développons un critère pour juger de la non-gaussianité des cohérences quantiques. Ce critère est appliqué à deux systèmes à deux niveaux expérimentaux différents. Enfin, des simulations démontrent qu'une future version de l'expérience pourra comprendre de la génération d'états non gaussiens corrigeables d'erreur. Ce travail encourage l'utilisation de plusieurs encodages dans les réseaux quantiques et fait progresser les méthodes de mesure et de création d'états qui élargissent les capacités des systèmes optiques pour la communication quantique.

This thesis focuses on the creation and manipulation of Non-Gaussian states with the goal of testing emerging heterogeneous quantum networks. These networks are envisioned to host multiple physical platforms, that are connected by optical communication lines. The optical states used for this communication will have to be adapted to the encoding of the physical platform they connect to, leading to a variety of possible encoding strategies. In this work, we develop criteria to test the quality of different encodings and benchmark tools that ensure faithful information transfer. Moreover, we show that multiple encodings can simultaneously be used in the same quantum network without losing their quantum properties through conversion. We use high-quality optical parametric oscillators, producing single- or two-mode squeezed states. Together with heralding via superconducting nanowire single-photon detectors, we create two different optical encodings representing a two-level system and a harmonic oscillator. The two-level system corresponds to superpositions of photon-number excitations, while the harmonic oscillator state translates to optical Schrödinger cats. By creating entanglement between those two different encodings, its use in network protocols is possible. Network protocols are intrinsically limited by the success rate and fidelity of Bell-state measurements. We present an improvement in output state fidelity and projectivity of an all-optical linear Bell-state measurement by combining single photon detection with field quadrature selection. Employing hybrid entanglement together with this hybrid Bell-state measurement enables a two-level input qubit to be converted into its harmonic oscillator counterpart in a teleportation-based setup. After thorough analysis of the results of the converter experiment, we develop a criterion to judge the Non-Gaussianity of quantum coherences. This criterion is applied to two different experimental two-level systems. Finally, a stimulative study of the possible generation of error-correctable Non-Gaussian states points the way towards the future of this experiment. This work promotes the use of multiple encodings in quantum networks and advances measurements and state creation methods that expand the capability of optical systems for quantum communication.