Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Mon activité s'inscrit dans le cadre de l'information et de l'optique quantiques fondamentales et appliquées. L'axe principal concerne la réalisation des briques photoniques élémentaires utiles aux réseaux quantiques, qui permettent à la fois la communication longue portée et le traitement de l'information quantique. Ces briques, à base d'optique intégrée, permettent d'exploiter efficacement les interactions non−linéaires optique−optique et électro−optique induites par le fort confinement des champs optiques au sein des structures guidantes. L'apport de cette technologie représente un atout essentiel lorsqu'il s'agit d'implémenter une véritable ingénierie de l'intrication, qui est l'une des ressources fondamentales de l'information quantique. J'entreprends également une recherche exploratoire visant le stockage quantique au sein d'ensembles d'atomes froids via le transfert de l'information quantique portée par des photons sur une onde de spin imprimée sur les atomes.

Les pères fondateurs de la mécanique quantique exploraient les implications de leur théorie avec des "expériences de pensée". Les améliorations continuelles en matière de manipulation de systèmes quantiques individuels ont ouvert la voie à des recherches théoriques et expérimentales. C'est la base de l'information quantique: quand un contenu informationnel est associé à des transformations et mesures sur des systèmes quantiques, cela offre un nouveau paradigme à la théorie de l'information. Une des promesses de l'information quantique est la réalisation d'un internet quantique: des liaisons quantiques permettraient de partager des états quantiques entre les noeuds du réseau. Le contexte de notre travail est l'optique quantique expérimentale dans des fibres optiques aux longueurs d'onde des télécommunications, avec comme perspective des applications en communication quantique. Nous démontrons une nouvelle méthode pour manipuler des photons intriqués en énergie-temps, en utilisant des composants fibrés et optoélectroniques standard. Les photons produits par paires par une source de conversion paramétrique sont envoyés dans des modulateurs de phase électro-optiques indépendants, qui agissent comme des diviseurs de faisceau en fréquence. Nous utilisons ensuite des filtres fréquentiels et des détecteurs de photons uniques pour discriminer les fréquences des photons. Nos résultats expérimentaux incluent l'obtention d'interférences à deux photons robustes, à haute visibilité et à haute dimension, qui permettent la violation d'inégalités de Bell. Cela montre qu'une telle "intrication en bins fréquentiels" est une plate-forme intéressante pour la communication Quantique. / The founding fathers of quantum mechanics explored the implications of their theory with "gedanken experiments". Continuous improvement of the experimental manipulation of individual quantum systems has opened the way to exciting research, both on blackboards and in laboratories. lt is the basis for quantum information processing : when an information content is associated with transformations and measurements of quantum systems, it offers a new paradigm, full of potentialities, to information theory. One of the promises of quantum information is the realization of a quantum internet: quantum communication links would allow to share quantum states between the nodes of the network.Our work lies in the context of experimental quantum optics in optical fibers at telecommunication wavelengths, in view of quantum communication applications. We demonstrate a new method for manipulating photons entangled in their energy-time degree of freedom, by using standard fiber-optic and optoelectronic components. The photon pairs produced by a parametric down-conversion source are sent through independent electro­optic phase modulators, which act as high-dimensional frequency beam splitters. We then use frequency filters and single-photon detectors to discriminate the frequencies of the photons. Our experimental results include robust, high-visibility and high-dimensional two­photon interference patterns allowing Bell inequality violations. This shows that such a "frequency -bin entanglement" provides an interesting platform for quantum communication.

Cette thèse de doctorat en co-tutelle a été centrée sur des expériences d’optique quantique faisant intervenir de grands ensembles atomiques. L’étude de l’interaction entre la lumière et la matière et l’augmentation de leur couplage dans ces systèmes sont des étapes fondamentales pour le développement et l’amélioration de protocoles de génération, de stockage et de manipulation d’information quantique. Le travail de thèse exposé ici traite en particulier de l’évolution des techniques de préparation d’ensembles atomiques denses, des protocoles de lumière arrêtée et de lumière stationnaire développés et étudiés expérimentalement. Les ensembles d’atomes froids préparés par refroidissement laser dans les deux réalisations expérimentales ont été portés jusqu’à des épaisseurs optiques de plusieurs centaines, à des températures d’une dizaine de microkelvin. De plus, l’adressage de ces ensembles dans des configurations symétriques ont permis l’étude de protocoles basés sur le renversement temporel de la conversion de lumière en excitations atomiques collectives. Ces améliorations ont mené au stockage de bits quantiques par transparence induite électromagnétiquement, et de lumière cohérente par symétrie temporelle dans une mémoire Raman, tous deux à des record d’efficacité, à de plus de 50%. Ce travail a également conduit à l’étude expérimentale de la lumière stationnaire et de nouveaux protocoles en découlant. / This cotutelle PhD thesis revolves around quantum optics experiments which involve large atomic ensembles. The study of light-matter interaction and its enhancement are crucial steps in the development and progress of quantum information generation, storage and processing protocols. The work presented here focuses on the evolution of large atomic ensemble preparation techniques, on the development and experimental investigation of stopped and stationary light protocols. Laser-cooled atomic ensembles in both experimental realisations have been brought to optical depths of a few hundreds, at temperatures of tens of microkelvin. Moreover, addressing these ensembles in symmetric configurations has enabled the study of protocols based on the temporal reversal of the mapping of light to collective atomic excitations. These enhancements have led to the storage of qubits based on electromagnetically-induced transparency, and the optical storage in a backward-retrieval Raman scheme, both demonstrating efficiency records, above 50%. This work has also led to the experimental investigation of stationary light and new protocols based on it.

Après une première révolution quantique marquée par l'avènement de la physique quantique et de ses lois contre-intuitives, le monde du XXIe siècle est en proie à une seconde révolution articulée autour des technologies quantiques. Ces dernières promettent un bouleversement important dans les domaines de la communication, du calcul, de la simulation et de la métrologie. Dans cette thèse, nous abordons deux des quatre sous-domaines cités précédemment, à savoir ceux de la communication et de la métrologie quantique. Le mot d'ordre rassemblant ces travaux est l'intrication. En effet, nous montrons que, grâce à cette propriété fondamentale, les performances des systèmes de communication et de métrologie standards peuvent être surpassés. Ainsi, nous présentons comment générer ces états intriqués responsables de l'avantage quantique, et ce sur différentes plateformes technologiques. La première plateforme exploitée est le silicium. Récente pour la photonique, elle combine des avantages de maturité permettant l'intégration de nombreuses structures micrométriques sur une même puce, avec des propriétés non-linéaires, basés sur des processus d'ordre 3, efficaces. Le silicium se destine alors à de nombreuses applications comme nous le montrons en générant des paires de photons intriqués démultiplexés spectralement et directement compatibles avec les réseaux de télécommunications standards. La seconde plateforme que nous présentons est le niobate de lithium. Cette dernière, très exploitée dans bon nombres de travaux en photonique quantique, possède une efficacité de génération de paires de photons intriqués très importante, notamment grâce à l'exploitation de processus non-linéaires d'ordre 2. Nous détaillons une expérience de génération d'états hyper-intriqués, qui, à l'instar du silicium, est orientée vers le domaine de la communication quantique. Enfin, nous exploitons aussi ces paires de photons intriqués combinés à des méthodes d'interférométrie quantique afin de réaliser une expérience de métrologie quantique. Le but de cette dernière étant de mesurer avec une précision inédite la différence d'indices de réfraction de fibres bi-coeurs. / After a first quantum revolution marked by the advent of quantum physics and its counter-intuitive laws, the XXIst century is in the throes of a second quantum revolution based on quantum technologies. These promises a major upheaval in the areas of communication, calculation, simulation and metrology. In this thesis, we address two of the four subdomains mentioned above, namely those of communication and quantum metrology. The main word bringing together these works is entanglement. Indeed, we show that, thanks to this fundamental property, the performances of standard communication and metrology systems can be surpassed. Thus, we present how to generate these entangled states responsible for the quantum advantage, and this on two technological platforms. The first platform exploited is silicon. The latter, recent for photonics, combines the advantages of maturity allowing the integration of many micrometric structures on the same chip, with efficient non-linear properties, based on third order process. Silicon is then destined for many applications as we show by generating pairs of spectrally demultiplexed entangled photons directly compatible with standard telecommunication networks. The second platform we present is lithium niobate. The latter, widely used in many quantum photonics demonstrations, has a very important efficiency of entangled photon pairs generation, notably thanks to the exploitation of second order non-linear process. We detail an experiment of hyper-entangled states generation, which, like silicon, is oriented towards the domain of quantum communication. Finally, we also exploit these pairs of entangled photons combined with quantum interferometry methods to realize a quantum metrology experiment. The purpose is to measure with unprecedented precision the refractive indices difference of dual-core fibers.

Les boites quantiques de semiconducteurs représentent une voie attractive pour la réalisation de sources de photon efficaces pour le transfert quantique de l’information, avec un fort potentiel de miniaturisation et d’intégration. Dans ce travail, les paires de photons intriqués sont générées via le déclin radiatif de bi-excitons, à partir de boite quantiques d’InAs auto-assemblées placé dans une jonction p-i-n. Dans une première série d’expérience d’interférence à deux photons, nous avons démontré des corrélations de polarisation non classiques et la capacité de deux photons à interférer. L’intrication a été démontrée avec une fidélité de 0.87±0.04, et une visibilité des interférences de 0.60±0.05. Nous avons ensuite réalisé le premier téléporteur injecté électriquement dans un circuit à fibre monomode. Une fidélité moyenne de 0.704±0.016 a été mesurée pour 6 états distribués symétriquement sur la sphère de Poincaré, ce qui supérieur à la limite classique de 2/3 et prouve la téléportation. Un dispositif modifié de téléportation permettant d’injecter des photons à partir d’un laser continu indépendant a été développé. L’interférence à deux photons entre sources différentes a été démontrée et des battements quantiques observés. La téléportation quantique des états de polarisation portés par les photons a été obtenue avec une fidélité moyenne 0.76±0.012. Le contrôle du spin des charges confinés dans les nanostructures tels que les boites quantiques requiert une compréhension profonde de la physique des matériaux constituant, y compris au niveau nucléaire. Ainsi, nous avons démontré le contrôle électrique de l’interaction hyperfine entre les spins électroniques et nucléaires en utilisant un composant à charge ajustable. La modélisation suggère que le mécanisme est contrôlé par le temps de corrélation hyperfine de l’électron et le temps de dépolarisation du noyau. / Semiconductor quantum dots offer an attractive route towards efficient and high-quality photon sources for optical quantum information applications, with potential for miniaturization and integration on chip. Here, entangled photon pairs are generated in the biexcitonic radiative cascade resulting from electrical excitation of InAs self-assembled quantum dots placed in a p-i-n diode. In a first set of experiments the non-classical polarisation correlations and the ability to interfere the photons in two-photon interference experiments was verified, finding entanglement fidelities of up to 0.87±0.04 and interference visibilities up to 0.60±0.05. Encouraged by the two-photon interference experiments, the first directly electrically driven teleporter was implemented in a single-mode fibre circuit. An average fidelity of 0.704±0.016 was achieved for six states symmetrically distributed on the Poincaré sphere, beating the classical limit of 2/3 and proving that quantum teleportation is taking place. A modified teleportation setup allowed for the accommodation of input photons from an independent CW laser. Two-photon interference between the dissimilar light sources was demonstrated and quantum beats could be observed. Quantum teleportation of polarisation states carried by laser photons was then performed with average fidelity 0.76±0.012. Controlling confined charge carriers in nano-scale systems such as quantum dots requires a deep understanding of the underlying material physics, even on the nuclear level. Voltage control of electron-nuclear hyperfine spin interactions was demonstrated using a charge-tuneable device. Modelling suggests that the mechanism is controlled mainly via the electron hyperfine correlation time and the nuclear depolarisation time.

Cette thèse présente l'étude et la réalisation de différents éléments clés pour la communication quantique longue distance. Pour cela, nous tirons parti de l'optique intégré sur de niobate de lithium, qui permet de mettre en exergue les propriétés non-linéaire de ce matériau. Après une brève introduction sur l'information quantique nous permettant de mettre en avant les enjeux actuels du domaine, nous nous intéressons à la réalisation de trois sources de paires de photons intriqués sur les observables polarisation (2) et time-bin (1), émettant aux longueurs d'onde des télécommunications. Ces réalisations font parties des meilleures sources actuelles aussi bien en terme de brillance que de qualité d'intrication mesurée, le tout alliant compacité et simplicité d'utilisation. Dans un second temps, nous présentons l'élaboration et la mise en oeuvre d'un relais quantique entièrement intégré. Pour cette réalisation, nous avons mergé au sein d'un même composant, pour la première fois, deux effets non-linéaires, l'un optique-optique pour la génération de paires de photons intriqués, et l'autre électro-optique pour le routage contrôlablé des photons. Une expérience d'interférence à deux photons entre un photon émis par la puce et un photon issu d'une source externe nous a permis de valider notre approche en obtenant une visibilité de 79% en accord avec les prédictions théoriques. Cette puce peut devenir un élément clé de la communication quantique car il permet d'accroître les distances de communication par un facteur 1.8.

Ces dernières années, les variables continues ont émergées en tant qu alternative aux variables discrètes dans les communications quantiques. Cette thèse s'inscrit dans ce cadre des communications quantiques avec des variables continues. Les variables continues utilisées ici sont les quadratures d'un mode du champ électromagnétique. Pour les mesurer, nous avons construit une détection homodyne équilibrée, limitée au bruit de photons, impulsionnelle et résolue en temps. Celle-ci peut effectuer 800 000 mesures par seconde. En se fondant sur la limite de la duplication quantique, nous montrons qu'une valeur de la fidélité supérieure à 2/3 dans un protocole de téléportation quantique garantit que l'état téléporté est la meilleure copie qui reste de l'état d'entrée. Nous introduisons de nouveaux protocoles de distribution quantique de clef utilisant des variables quantiques continues, sûrs face à des attaques individuelles pour toute valeur de la transmission de la ligne optique entre Alice et Bob. En particulier, il n'est pas nécessaire que cette transmission soit plus grande que 50 % (moins de 3 dB de pertes). Ni compression des fluctuations quantiques, ni intrication ne sont nécessaires. Nous avons implémenté expérimentalement ces protocoles, en utilisant la détection homodyne limitée au bruit de photon mentionnée plus haut et des états cohérents. L'extraction complète de la clef secrète est réalisée en utilisant une technique de réconciliation par tranches inversée suivie d amplification de confidentialité. Notre dispositif expérimental produit un taux net de transmission de clef de 1,7 megabits par seconde pour une ligne sans pertes, et 75 kilobits par seconde pour une ligne avec 3,1 dB de pertes. Les limitations actuelles sont essentiellement techniques et proviennent surtout de l'efficacité limitée du logiciel de réconciliation.

Les boites quantiques de semiconducteurs représentent une voie attractive pour la réalisation de sources de photon efficaces pour le transfert quantique de l'information, avec un fort potentiel de miniaturisation et d'intégration. Dans ce travail, les paires de photons intriqués sont générées via le déclin radiatif de bi-excitons, à partir de boite quantiques d'InAs auto-assemblées placé dans une jonction p-i-n. Dans une première série d'expérience d'interférence à deux photons, nous avons démontré des corrélations de polarisation non classiques et la capacité de deux photons à interférer. L'intrication a été démontrée avec une fidélité de 0.87±0.04, et une visibilité des interférences de 0.60±0.05. Nous avons ensuite réalisé le premier téléporteur injecté électriquement dans un circuit à fibre monomode. Une fidélité moyenne de 0.704±0.016 a été mesurée pour 6 états distribués symétriquement sur la sphère de Poincaré, ce qui supérieur à la limite classique de 2/3 et prouve la téléportation. Un dispositif modifié de téléportation permettant d'injecter des photons à partir d'un laser continu indépendant a été développé. L'interférence à deux photons entre sources différentes a été démontrée et des battements quantiques observés. La téléportation quantique des états de polarisation portés par les photons a été obtenue avec une fidélité moyenne 0.76±0.012. Le contrôle du spin des charges confinés dans les nanostructures tels que les boites quantiques requiert une compréhension profonde de la physique des matériaux constituant, y compris au niveau nucléaire. Ainsi, nous avons démontré le contrôle électrique de l'interaction hyperfine entre les spins électroniques et nucléaires en utilisant un composant à charge ajustable. La modélisation suggère que le mécanisme est contrôlé par le temps de corrélation hyperfine de l'électron et le temps de dépolarisation du noyau.

In the twentieth century, the founding fathers of quantum mechanics explored the implications of their theory by designing gedanken experiments. In recent years, continuous improvement of the experimental manipulation of individual quantum systems has opened the way to exciting research, both on blackboards and in laboratories, and even towards field experiments. The manipulation of individual quantum systems is the basis for quantum information processing: when an information content is associated with transformations and measurements of quantum systems, it offers a new paradigm, full of potentialities, to information theory. This leads to quantum random number generation, quantum computing, quantum communication, including quantum teleportation and quantum cryptography, etc. One of the promises of quantum information is the realization of a quantum internet: quantum communication links would allow to share quantum states between the nodes (quantum computers) of the network.<p><p>Our work lies in the context of experimental quantum optics in optical fibers at telecommunication wavelengths, in view of quantum communication applications. More particularly, we study photon pairs entangled in their energy-time degree of freedom. The traditional approach to manipulate energy-time entangled photons is based on the notion of time bin: quantum information is encoded in the relative phase between distinct spatio-temporal paths, which interfere via Mach-Zehnder interferometers. The aim of our work is to demonstrate an alternative approach to manipulate energy-time entangled photons in optical fibers at telecommunication wavelengths. We investigate and implement an original method for their manipulation by building on proven techniques for their production, transmission and detection (namely nonlinear waveguides, optical fibers and single-photon detectors, respectively). The photon pairs produced by a parametric down-conversion source are sent through independent electro-optic phase modulators, which act as high-dimensional frequency beam splitters, transforming the photonic states in the frequency domain. We then use frequency filters to discriminate the photons' frequencies. Such experimental methods, whose classical origin can be traced back to coherent communication, have been previously used with attenuated coherent states as approximations of single photons.<p><p>In the present work, we aim to show that frequency-bin entanglement provides an interesting alternative platform for quantum communication. Our main experimental results towards this goal are the obtaining of high-visibility two-photon interference patterns allowing Bell inequality violations. Our method provides decisive advantages: high dimensionality, use of standard optical and optoelectronic components, inherent stability and robustness, no need for active stabilization in laboratory conditions, visibilities comparable to the highest obtained using other degrees of freedom, etc. It has however a few drawbacks, mainly high losses and the somewhat complexity of the radio-frequency system which is not standard in quantum optics. Exploiting the high dimensionality is also challenging. Overall, our method allows the implementation of traditional and original quantum optics experiments with interesting perspectives for quantum information and communication. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished