Photonique sur silicium pour des applications à base d'intrication en fréquence haute dimension

Silicon Photonics for HIgh-dimension Frequency entanglement Applications

• Auteur / Autrice : Adrien Bensemhoun
• Direction : Sébastien Tanzilli
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Doctorat physique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2021
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : INPHYNI - Institut de Physique de Nice

Mots clés

Mots clés libres

Information quantique

Photonique intégrée

Optique quantique expérimentale

Intrication à variables continues

Experimental quantum optics

Continuous variable entanglement

Quantum information

Integrated photonics

Résumé

Le domaine de l'information quantique photonique vise à exploiter les états quantiques de la lumière pour réaliser des tâches en communication et en calcul qui ne sont pas réalisables de manière classique. L'un des principaux enjeux actuels réside dans la mise en œuvre de systèmes quantiques pour des applications dans le monde réel, avec un fort impact sociétal et économique. Dans ce contexte, l'utilisation d'états intriqués de haute dimension a récemment attiré beaucoup d'attention, car ils permettent de coder de grandes quantités d'informations. D'autre part, la photonique intégrée quantique a désormais atteint un niveau de maturité permettant le développement de solutions pratiques, flexibles, compactes et évolutives, promettant des percées technologiques dans le domaine de l'information quantique. Le travail proposé pour de projet s'appuie sur une nouvelle génération de systèmes quantiques photoniques pour créer, manipuler et détecter des états quantiques photoniques de haute dimension - qudits et clusters - codés dans le domaine fréquentiel. Pour s'attaquer à ce sujet très compétitif, le projet marie l'optique quantique et l'optique intégrée pour créer des démonstrateurs de communication quantique multimode basés sur l'intrication, maniables et reconfigurables. L'ambition est de développer des dispositifs compatibles avec des réalisations hors laboratoire, grâce à l'association stratégique de concepts et technologie. Plus en détail, cette thèse de doctorat expérimentale portera sur l'intrication en fréquence générée par une interaction non linéaire dans une plateforme à base de nitrure de silicium (Si/SiN) : cette plateforme peut permettre de développer un ensemble complet de fonctions intégrées, allant des sources d'intrication aux circuits, et aux détecteurs optiques. Toutes les expériences seront principalement développées dans le régime de l'optique quantique à variables continues (VC) ; toutefois, des analyses à variables discrètes (VD) seront également effectuées. Les échantillons seront fabriqués au Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (C2N) par le groupe de Laurent Vivien et au Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (LETI) par le groupe de Ségolène Olivier. Ces deux laboratoires sont leaders dans le domaine des systèmes intégrés Si et SiN. Le projet sera mené en collaboration avec le groupe de Jean-Marc Merolla à Franche-Comté Électronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies, qui se concentrera sur la cryptographie quantique à variables discrètes. Le projet bénéficie également de la collaboration avec l'université de Lille sur les modèles théoriques des états générés.

The field of photonic quantum information aims at exploiting quantum states of light to achieve communication and computational tasks that are not classically feasible. One of today's strong driving routes lies in the implementation of quantum systems for real-world applications, with high societal and economic impacts. In this context, the use of high-dimensional entangled states has recently attracted much attention as they enable the possibility of encoding large amounts of information. On the other hand, quantum integrated photonics has now reached a level of maturity allowing the development of practical, flexible, compact, and scalable solutions, holding the promise of technological breakthroughs in quantum information technology. The work expected in this project relies on a new generation photonic quantum systems to create, manipulate, and detect high-dimension photonic quantum states – qudits and clusters - encoded in the frequency domain. To tackle this hot topic, the project marries quantum and integrated optics devoted to multimode entanglement-based quantum communication demonstrators that are fully exploitable, autonomous, and flexible. The ambition is to answer the quest to out-of-the-laboratory realizations by providing novel and strategic concepts and technological routes. The proposed experimental PhD thesis will investigate high-dimension frequency entanglement generated by non-linear interaction in silicon nitride-based (Si/SiN): this platform can allow developing a complete set of flexible integrated functions, ranging from entanglement sources to adjustable configuration circuits, and optical detectors. All experiments will be mainly developed in continuous variable regime of quantum optics; however, discrete variable analyses will also be performed. Samples will be fabricated at the Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (C2N) by the group of Laurent Vivien and at the Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (LETI) by the group of Ségolène Olivier. Both laboratories are leaders in Si and SiN integrated systems. The project will be conducted in collaboration with the group of Jean-Marc Merolla at the Franche-Comté Électronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies, that will focus on discrete variable quantum cryptography. The project also benefits from the collaboration with the University of Lille on the theoretical models of the generated states.