Contribution aux réseaux de communications quantiques avec des photons intriqués en fréquence par des résonateurs en Silicium

Composition du jury / Jury members:

M. Olivier ALIBART, Université Côte d'Azur, Institut de Physique de Nice (INPHYNI) - Rapporteur

M. Daniele BAJONI, Photonics Group Unipv - Rapporteur

M. Christophe COUTEAU, Université de Technologie de Troyes (UTT), Laboratoire Lumière, nanomatériaux & nanotechnologies (L2n) - Examinateur

Mme Maria AMANTI, Université Paris Cité, Laboratoire Matériaux et Phénomènes Quantiques (MPQ) - Examinatrice

M. Kamel BENCHEIKH, Université Paris-Saclay, Centre de Nanosciences et de

Nanotechnologies (C2N) Examinateur

Mme Sylvie LEBRUN, Université Paris-Saclay, Institut d'Optique Graduate School (IOGS) - Examinatrice

Les réseaux quantiques améliorent les systèmes de communication quantique et établissent des connexions entre plusieurs noeuds grâce à la distribution de ressources quantiques, par exemple des états intriqués. Les photons constituent d’excellents porteurs d’information quantique, car ils peuvent transporter ces ressources quantiques à travers des fibres optiques, où les fluctuations environnementales et les pertes optiques sont réduites. L'exploitation d'états quantiques de haute dimension, appelés qudits, permet un transfert d'informations plus dense et une meilleure résistance au bruit que l’utilisation des qubits, leurs équivalents binaires. L'information quantique peut être encodée dans plusieurs degrés de liberté du photon. L’encodage en fréquence est robuste face aux fluctuations de polarisation et compatible avec l'infrastructure fibrée existante, tout en permettant l'accès à un espace de Hilbert de haute dimension. Les qudits encodés en fréquence sont manipulés à l'aide de dispositifs fibrés commerciaux, tels que les modulateurs électro-optiques, ce qui permet en outre la parallélisation des opérations. 

Dans cette thèse de doctorat, nous utilisons des états de Bell encodés en fréquence de dimension d=2 (qubits) et d=3 (qutrits) pour réaliser une preuve de concept d'un réseau de distribution quantique de clé basé sur l'intrication. Nous utilisons un résonateur spiralé en silicium comme source paramétrique de paires de photons via un mélange à quatre ondes. Nous démontrons un peigne de fréquences et l’accès à 80 modes de fréquentiels. Nous sélectionnons 21 liaisons quantiques capables de transférer des qubits ou des qutrits encodés en 'bins' de fréquence à l'aide d'un seul dispositif expérimental. Nous évaluons et optimisons la source - via la puissance de pompage -, le traitement du signal - via la taille de la fenêtre de coïncidence - et la dimension des qu-d-its jusqu'à d=5 afin de maximiser les performances du réseau quantique de distribution de clés. Nous proposons ainsi une stratégie adaptative pour augmenter le débit d'informations sécurisées transmises en tirant parti de la capacité de codage dense des états quantiques de haute dimension et en bénéficiant du rapport signal sur bruit plus élevé des qubits. Nous montrons qu’on peut ainsi communiquer jusqu'à une distance simulée de 295 km.