Calcul et communication quantiques avec des gammes de fréquence

Quantum computation and communication with frequency bins

• Auteur / Autrice : George Crisan
• Direction : Nadia Belabas
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et Matière
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Photonique
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay

Mots clés

Mots clés libres

Quantique

Communication

Calcul

Fréquence

Photons

Gamme

Quantum

Communication

Computation

Frequency

Photons

Bins

Résumé

L'utilisation du degré de liberté de fréquence du photon améliore le potentiel de l'information quantique car elle ouvre la possibilité d'utiliser des qu-dits où l'information est codée sur plus de deux états. Cela contraste avec les qubits encodés en polarisation en photonique et les systèmes paradigmatiques à deux niveaux dans d'autres dispositifs d'information quantique. L'avantage du multiplexage des bits/bins de fréquence, où un grand nombre de qubits codés en fréquence voyagent ensemble dans un mode spatial sans interagir les uns avec les autres, est exploité dans le monde entier. La manipulation des qubits encodés en fréquence est évolutive, car le nombre de composants nécessaires aux portes quantiques n'évolue pas avec le nombre de qubits. Suite à des travaux récents [1], notre groupe au Center de Nanoscience et Nanotechnologies a très récemment mis en œuvre des portes quantiques dans le domaine fréquentiel (portes de phase et de Hadamard) pour réaliser une tomographie d'état quantique de photons de longueur d'onde télécom intriqués en fréquence. L'état intriqué a été généré par une source de résonateur à microrésonance en silicium sur isolant (SOI). La source du résonateur SOI a été conçue et fabriquée par des collaborateurs du C2N et de ST microelectronics avec un espacement personnalisé des bins de fréquence (gamme spectrale libre de 21 GHz), bien adapté aux spécifications des composants télécoms standard utilisés pour la manipulation des qudits. Nous avons notamment tiré parti de la haute dimensionnalité du degré de liberté spectral et de la possibilité d'implémenter indépendamment des portes quantiques de fréquence sur plusieurs qubits pour distribuer expérimentalement jusqu'à 8 paires de photons intriqués en fréquence dans une version multiutilisateur flexible du protocole BBM92 [2]. Le présent projet de doctorat sera consacré à la mise à l'échelle du traitement de l'information dans le domaine fréquentiel. Notamment à la génération et à la manipulation de l'intrication de 3 bins de fréquence et plus et vers des applications dans la communication et le calcul quantiques. L'extension possible du travail inclut la communication dans un réseau réel avec nos voisins et collaborateurs de Telecom Paris Tech, ainsi que la conception et le test de blocs de construction en vue de l'intégration du schéma de communication complet et de la transposition aux sources lumineuses déterministes. Le candidat travaillera à l'évaluation des protocoles, des ressources quantiques et expérimentales nécessaires et des implémentations optiques. Le travail sera effectué en étroite collaboration avec les partenaires du groupe, notamment Romain Alléaume (Telecom) pour les protocoles et Laurent Vivien (C2N-Minaphot) pour la source SOI et les stratégies d'intégration. [1] M Kues, … and R. Morandotti. On-chip generation of high-dimensional entangled quantum states and their coherent control. Nature, 546(7660) :622–626, June 2017. J. M. Lukens and P. Lougovski.. Frequency-encoded photonic qubits for scalable quantum information processing Optica, 4(1) :8–16, January 2017. P. Imany, … and Andrew M. Weiner. High-dimensional optical quantum logic in large operational spaces. npj Quantum Information, 5(1), July 2019. [2] BQIT 2022 Poster A. Henry, D. Fioretto, L. Procopio, S. Monfray, F. Boeuf, L. Vivien, E. Cassan, C. Ramos, K. Bencheikh, I.Zaquine, N. Belabas , “Flexible distribution and quantum state tomography of frequency entangled photon pairs from a 21GHz SOI frequency comb using frequency quantum gates”, Submitted Optique Nice 2022 A. Henry, D. Fioretto, L. Procopio, S. Monfray, F. Boeuf, L. Vivien, E. Cassan, C. Ramos, K. Bencheikh, I. Zaquine, N. Belabas , “Tomographie quantique et protocole de distribution reconfigurable multi-utilisateurs à base de portes quantiques fréquentielle”, QCMC Lisbonne 2022 A. Henry, D. Fioretto, L. Procopio, S. Monfray, F. Boeuf, L. Vivien, E. Cassan, C. Ramos, K. Bencheikh, I. Zaquine, N. Belabas , “Parallelization of independently addressable frequency domain quantum gates for measurement and distribution of spectrally entangled photons pairs

Using the frequency degree of freedom of the photon enhances quantum information potential as it opens up the possibility of using qu-Dits where information is encoded in more than 2 states. This contrasts with polarization qubits in photonics and paradigmatic 2 level systems in other quantum information implementation. The multiplex advantage of the frequency bits/bins where a large number of frequency-encoded qubits travel together in one spatial mode without interacting with each other is harnessed worldwide. The manipulation of frequency encoded qubits is scalable, as the number of components needed for quantum gates does not scale with the number of qubits. Following on recent works [1], our group at the Center for Nanoscience and Nanotechnology has very recently implemented frequency-domain quantum gates (phase and Hadamard gates) to implement a quantum state tomography of frequency-bin entangled telecom wavelength photons. The entangled state was generated by a silicon on insulator (SOI) microring resonator source. The SOI resonator source was designed and fabricated by collaborators at C2N and ST microelectronics with custom frequency bins spacing (21 GHz free spectral range), well adapted to the specifications of the off-the shelf telecom components used for qudits manipulation. We notably leveraged on the high dimensionality of spectral degree of freedom and the ability to independently implement frequency quantum gates over several qubits to experimentally distribute up to 8 parallel frequency entangled photon pairs in a flexible multiuser frequency domain version of the BBM92 protocol [2]. The present PhD project will be dedicated to the scaling up of frequency domain information processing. Notably to entanglement generation and manipulation of 3 frequency bins and more and towards applications in quantum communication and quantum computation. Possible extension of the work include communication in a real network with our neighbours and collaborators at Telecom Paris Tech, building blocks design and testing towards the integration of the scheme and transposition to deterministic bright sources. The candidate will work on assessment of the protocols and necessary quantum and experimental ressources and optical implementations. The work will be performed in close collaboration with partners of the group notably Romain Alléaume (Telecom) for the protocols and Laurent Vivien (C2N-Minaphot) for the SOI source and integration strategies. [1] M Kues, and R. Morandotti. On-chip generation of high-dimensional entangled quantum states and their coherent control. Nature, 546(7660) :622–626, June 2017. J. M. Lukens and P. Lougovski.. Frequency-encoded photonic qubits for scalable quantum information processing Optica, 4(1) :8–16, January 2017. P. Imany, and Andrew M. Weiner. High-dimensional optical quantum logic in large operational spaces. npj Quantum Information, 5(1), July 2019. [2] BQIT 2022 Poster A. Henry, D. Fioretto, L. Procopio, S. Monfray, F. Boeuf, L. Vivien, E. Cassan, C. Ramos, K. Bencheikh, I.Zaquine, N. Belabas , “Flexible distribution and quantum state tomography of frequency entangled photon pairs from a 21GHz SOI frequency comb using frequency quantum gates”, Submitted Optique Nice 2022 A. Henry, D. Fioretto, L. Procopio, S. Monfray, F. Boeuf, L. Vivien, E. Cassan, C. Ramos, K. Bencheikh, I. Zaquine, N. Belabas , “Tomographie quantique et protocole de distribution reconfigurable multi-utilisateurs à base de portes quantiques fréquentielle”, QCMC Lisbonne 2022 A. Henry, D. Fioretto, L. Procopio, S. Monfray, F. Boeuf, L. Vivien, E. Cassan, C. Ramos, K. Bencheikh, I. Zaquine, N. Belabas , “Parallelization of independently addressable frequency domain quantum gates for measurement and distribution of spectrally entangled photons pairs