Quantum information processing with a multimode fibre

par Saroch Leedumrongwatthanakun

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Sylvain Gigan.

Le président du jury était Eleni Diamanti.

Le jury était composé de Riccardo Sapienza.

Les rapporteurs étaient François Marquier, Christine Silberhorn.

  • Titre traduit

    Traitement de l'information quantique avec une fibre multimode


  • Résumé

    Le transport à haut débit de données à travers des fibres optiques grâce au multiplexage spatial est en pratique limité par la diaphonie modale. Au lieu de considérer ce couplage modal comme une limitation, nous exploitons ici ce mélange de modes comme une ressource. Nous mettons en oeuvre un réseau optique linéaire programmable basé sur le concept de design photonique inverse, exploitant les techniques de mise en forme du front d’onde. Nous démontrons la manipulation d’interférences quantiques à deux photons sur divers réseaux linéaires, comprenant des degrés de liberté spatiaux et de polarisations. En particulier, nous vérifions expérimentalement la « zero transmission law » dans des interféromètres de Fourier et de Sylvester, permettant de quantifier le degré d’indiscernabilité d’un état d’entrée. De plus, grâce à la possibilité de mettre en oeuvre un réseau non unitaire, nous mettons en évidence l’anti-coalescence de photons dans toutes les configurations de sortie, et réalisons une expérience d’absorption cohérente. Nous démontrons ainsi l’aspect reconfigurable de l’implémentation de tels réseaux optiques linéaires dans des fibres multimodes. De plus, nous étudions les propriétés statistiques du speckle à un et à deux photons générés à partir de divers états d’entrée, après propagation dans une fibre multimode. Ces propriétés statistiques du speckle peuvent être utilisées pour extraire des informations sur la dimensionnalité, la pureté et l’indiscernabilité d’un état quantique inconnu, permettant ainsi leur classification. Ce travail met en évidence le potentiel du contrôle de front d’onde en milieux complexes pour le traitement quantique de l’information.


  • Résumé

    Transport of information through a multimode optical fibre raises challenges when one wants to increase the data traffic using many spatial modes due to modal cross-talk and dispersion. Instead of considering those complex mixing of modes as a detrimental process, in this dissertation, we harness its mode mixing to process quantum optical information. We implement a reconfigurable linear optical network, a fundamental building block for scalable quantum technologies, based on an inverse photonic approach exploiting the technology of wavefront shaping. We experimentally demonstrate manipulation of two-photon quantum interference on various linear optical networks across both spatial and polarization degrees of freedom. In particular, we experimentally show the zero-transmission law in Fourier and Sylvester interferometers, which are used to certificate the degree of indistinguishability of an input state. Moreover, thanks to the ability to implement a non-unitary network, we observe the photon anti-coalescence effect in all output configurations, as well as the realization of a tunable coherent absorption experiment. Therefore, we demonstrate the reconfigurability, accuracy, scalability and robustness of the implemented linear optical networks for quantum information processing. Furthermore, we study the statistical properties of one-and two-photon speckles generated from various ground-truth states of light after propagating through a multimode fibre. These statistical properties of speckles can be used to extract information about the dimensionality, purity, and indistinguishability of an unknown input state of light, therefore allowing for state classification. Our results highlight the potential of complex media combined with wavefront shaping for quantum information processing.


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