Interfaces solides spin-photons dans le domaine télécom pour les réseaux de communication quantique

par Alrik Durand

Projet de thèse en Physique

Sous la direction de Vincent Jacques et de Anaïs Dréau.

Thèses en préparation à Montpellier , dans le cadre de I2S - Information, Structures, Systèmes , en partenariat avec L2C - Laboratoire Charles Coulomb (laboratoire) depuis le 01-10-2018 .


  • Résumé

    1- CONTEXTE SCIENTIFIQUE La confidentialité des transmissions de données est un enjeu majeur dans le domaine des communications longues distances. Dans ce contexte, la mécanique quantique peut apporter de nouvelles alternatives en permettant le partage de clefs de chiffrement parfaitement aléatoires dont l'inviolabilité est vérifiée et garantie par des lois quantiques. L'idée de base de tels communications est de coder l'information sur de la lumière quantique, par exemple en utilisant des particules individuelles de lumière appelées photons. Ces particules ont l'avantage de pouvoir se propager sur de grandes distances tout en conservant leurs caractéristiques quantiques, notamment l'intrication. Cette dernière propriété, sans équivalent classique, constitue l'une des ressources les plus fortes du monde quantique. En plus de permettre la distribution de clefs aléatoires pour la cryptographie, elle est également mise à profit pour transférer des états quantiques inconnus sans les perturber via le protocole de téléportation quantique. La sécurité des communications quantiques est alors garantie par le théorème de non-clonage, qui interdit de copier parfaitement un état quantique arbitraire sans détruire l'information qu'il contient. Les démonstrations de distribution d'intrication dans des réseaux optiques fibrés ont montré qu'il était possible d'échanger de l'information quantique entre des points distants de plusieurs centaines de kilomètres. Malgré ces succès, les communications quantiques longues distances se heurtent en pratique au problème des pertes lors de la propagation dans les fibres optiques. Ces pertes ont pour conséquence de diminuer à la fois le débit et la sécurité des transmissions. A l'instar des télécommunications classiques, il est nécessaire de développer l'équivalent quantique de répéteurs capables d'étendre les distances de transfert d'information. Or contrairement au cas classique qui nécessite simplement d'amplifier le signal optique pour pallier les pertes, un répéteur quantique ne peut se baser sur une simple amplification du signal quantique en vertu du principe de non-clonage. Différentes architectures sont étudiées dans le but de construire des répéteurs quantiques. Le principe de base de tels appareils repose sur un système de type atomique, lequel réalise une interface entre une source de photons pouvant redistribuer l'intrication et une mémoire quantique capable de stocker l'information quantique codée sur les photons. Parmi les différents systèmes quantiques de type atomique étudiés dans la perspective de réaliser des répéteurs quantiques, les centres NV du diamant se sont récemment illustrés comme des candidats prometteurs à l'état solide. Ces défauts ponctuels du diamant possèdent des états de spin avec des temps de cohérence extrêmement longs, atteignant la seconde à basse température, ce qui en fait d'excellentes mémoires quantiques à l'état solide. Grâce à une interface spin-photon maîtrisée, les centres NV détiennent actuellement le record de distance (1.3 km) de distribution d'intrication entre deux systèmes atomiques distants. Cependant, ces défauts émettent dans le visible, limitant la distribution de l'intrication à une distance autour du kilomètre. Il convient donc de développer des interfaces spin-photons opérant dans le domaine télécom adapté à la propagation longue distance dans les fibres optiques. De tels émetteurs n'existent cependant pas dans le diamant, qui reste par ailleurs un matériau onéreux et uniquement disponible sur de petites dimensions. La détection récente d'émetteurs infrarouges possédant des états de spin contrôlables dans les matériaux phares de la microélectronique (SiC, Si...), motivent l'extension de ces recherches vers ces matériaux adaptés aux procédés de production industriels. Au-delà d'ouvrir des perspectives pour le déploiement de réseaux quantiques de communication, ces défauts ponctuels trouvent un écho dans le vaste champ d'applications des technologies quantiques, en particulier pour l'imagerie quantique (notamment en milieu biologique), les senseurs quantiques (de champ magnétique, électrique, de pression ou température par exemple) ou bien le calcul quantique. L'objectif général de la thèse est de développer une interface spin-photon à l'état solide, robuste et fonctionnant dans l'infrarouge, en vue d'implémenter un répéteur quantique à l'état solide compatible avec les réseaux fibrés des télécommunications. L'architecture d'un tel système hybride sera portée par des défauts ponctuels individuels, localisés dans des cristaux massifs de semiconducteurs couramment utilisés dans l'industrie des semiconducteurs. Le travail de thèse se focalisera en particulier sur deux matériaux phares de la microélectronique : le silicium (Si) et le carbure de silicium (SiC) pour lesquels l'émission dans l'infrarouge à partir de défauts ponctuels a déjà été observée. Le fort intérêt suscité par ces matériaux est aussi motivé par l'observation récente d'états de spin contrôlable optiquement associés à certains de ces défauts, notamment dans le carbure de silicium. 2 - PLAN DE LA THESE Le déroulement de la thèse se fera en trois étapes progressives. Le premier objectif sera de développer une expérience de microspectroscopie à froid permettant de détecter des émetteurs individuels dans l'infrarouge. L'unicité des défauts sera démontrée en utilisant des outils d'analyse issus de l'optique quantique. La seconde étape sera portée sur l'étude et le contrôle des propriétés de spin attachées à ces défauts. Il conviendra en particulier d'analyser les propriétés de cohérence de ces états quantiques afin d'évaluer leurs performances en tant que mémoires quantiques. Enfin, la dernière partie de la thèse sera consacrée à la mise en œuvre de protocoles d'intrication spin-photon. L'objectif final sera de démontrer l'émission de photons uniques télécom intriqués avec l'état de spin du défaut émetteur. Les critères importants à analyser pour cette interface spin-photon seront notamment la qualité des photons détectés, en termes de pureté et d'indiscernabilité à court et à long termes, ainsi que la fidélité de l'intrication spin-photon, déterminée par mesures de tomographie ou de violation des inégalités de Bell.

  • Titre traduit

    Solid-state spin-photon interfaces at telecom wavelengths for quantum communication networks


  • Résumé

    1- SCIENTIFIC CONTEXT The confidentiality of data transmission is a major issue in the field of long-distance communications. In this context, quantum mechanics can bring new alternatives by enabling to share perfectly random encryption keys whose privacy is tested and guaranteed by quantum laws. The basic principle of such communications is to encode information on quantum light, for instance by using individual particles of light called photons. These particles have the advantage of being able to propagate over large distances while keeping their quantum features, such as entanglement. This last property, that has no equivalence in the classical world, is one of the strongest resource of the quantum world. Besides allowing secret key distribution for cryptography, it can be used to transfer unknown quantum states without perturbing them by using the quantum teleportation protocol. The safety of quantum communications is provided by the non-cloning theorem, that forbids the perfect copy of an arbitrary quantum state without destroying all the information it contains. Demonstration of entanglement distribution in fibre optical networks have already shown that is possible to exchange quantum information between distant locations separated by hundreds of kilometres. Despite this success, long-distance quantum communications encounter practical limitations due to optical losses during fibre propagation. Those losses lead to a decrease of both the rate and the safety of data transmissions. Following the example of classical telecommunications, it is necessary to develop quantum equivalent of repeaters able to extend the range of information transfer. Nevertheless contrary to the classical case that simply requires to amplify the optical signal to compensate the losses, a quantum repeater cannot consist of a simple amplification of the quantum signal because of the non-cloning theorem. Different architectures are currently investigated to implement quantum repeaters. The working principle of such devices relies on an atomic-type system, that implements an interface between a photon source able to redistribute entanglement and a quantum memory able to store the quantum information encoded on the photons. Among the different atomic-like quantum systems investigated for performing quantum repeaters, the NV centres in diamond stand as promising candidates at the solid-state. These point defects of diamond possess spin states with extremely long coherence time, reaching second-timescale at low temperature, making them appealing condensed-matter quantum memories. Thanks to a controlled spin-photon interface, NV centres are currently holding the record of longest separation distance between atomic-like entangled systems. However, these defects emit in the visible range, subject to strong optical attenuation during optical fibre propagation, thus limiting the entanglement distribution to a few kilometres. It is therefore necessary to develop spin-photon interface working in at telecom wavelengths that are appropriate for long-distance propagation in optical fibres. Unfortunately, such emitters do not exist in diamond, that moreover remains a costly material, only available on small dimensions. The recent observation of infrared emitters with controllable spin states in flagship materials of microelectronics (SiC, Si...), constitutes a strong motivation to extend the field of research towards materials adapted to industrial production processes. Beyond opening perspectives for implementing quantum communication networks, these point defects have also impact in the wide range of quantum technology applications, especially for quantum imaging (like in biology), quantum sensors (of magnetic or electric fields, of pressure or temperature for instance), or quantum information processing. The general goal of the thesis is to develop a robust solid-state spin-photon interface, that operates in the infrared range, with the view to implementing a solid-state quantum repeater compatible with telecommunication optical networks. Such a hybrid quantum system relies on individual point defects localized in semiconductor bulk crystals currently used in the semiconductor industry. The PhD work will be specifically focused on two flagship materials of microelectronics : silicon (Si) and silicon carbide (SiC), for which infrared emission from point defects has been observed. The strong interest for these materials is also motivated by the recent observation of optically controllable spin states linked to those defects, like in silicon carbide. 2- THESIS PLAN The thesis plan will be decomposed into three progressive steps. The first goal is to develop a low-temperature microspectroscopy set-up to allow detection of single infrared emitters. The unicity of the defects will be demonstrated by using analysis tools from quantum optics. The second step will be devoted to the study and control of the spin properties linked to those defects. Their spin coherence properties will be thoroughly investigated in order to assess their performances as quantum memories. The last part of the thesis will be dealing with developing spin-photon entanglement protocols. The final goal will be to demonstrate the emission of single telecom photons entangled with the spin state of the emitter. The important features to investigate for this spin-photon interface will be the quality of emitted photons, in terms of purity and short- and long-term indistinguishability, as well as the spin-photon entanglement fidelity, determined through tomography measurements or Bell inequality violation.