Optique quantique multimode pour le traitement de l'information quantique

Multimode quantum optics for quantum information processing

• Auteur / Autrice : Élie Gouzien
• Direction : Sébastien Tanzilli, Virginia D'Auria
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 17/12/2019
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Nice (1965-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Physique de Nice - Institut de Physique de Nice
• Jury : Président / Présidente : Antonio Acín
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Antonio Acín, Nicolas J. Cerf, Nicolas Sangouard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nicolas J. Cerf, Nicolas Sangouard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Oscillateurs

Mélange à quatre ondes

États comprimés (optique)

Gigue (électronique)

Détecteurs de photons

Optique quantique

Mots clés libres

Optique quantique

Multimode

Détecteur de photons uniques ON/OFF

Gigue temporelle

Source de photons annoncés

Lumière comprimée

Hamiltonien quadratique

Cavité

Mélange à quatre ondes

SPOPO

Hybride

Encodage temporel

Quantum optics

Multimode

ON/OFF single-photon detector

Timing-jitter

Heralded single-photon source

Squeezed light

Quadratic Hamiltonian

Cavity

Four-wave mixing

SPOPO

Hybrid

Time-bin

Résumé

Cette thèse étudie l’optique quantique multimode, aussi bien du point de vue de la génération que celui de la détection. Elle s’articule autour de trois volets. Nous étudions la génération de lumière comprimée multimode dans une cavité. Pour cela nous considérons la forme la plus générale de hamiltonien quadratique, permettant entre autres de décrire l’utilisation de plusieurs pompes dans un matériau effectuant du mélange à quatre ondes. Une approche combinant fonctions de Green et décompositions de matrices symplectiques est décrite. Cette théorie générique est appliquée à des cas particuliers. Dans un premier temps, des exemples en basse dimension sont donnés. Ensuite, une configuration d’oscillateur paramétrique optique pompé de manière synchrone (SPOPO) est décrite et étudiée ; les résultats obtenus montrent que ce système a un comportement très différent de celui du SPOPO utilisant une non-linéarité d’ordre 2. Ces travaux ouvrent la voie à la réalisation de peignes de fréquences quantiques avec des micro-résonateurs en anneau gravés sur silicium. Un autre problème examiné est celui de prendre en compte l’information temporelle obtenue lors du clic d’un détecteur de photon unique. Pour cela nous utilisons un formalisme multimodal temporel afin d’expliciter les opérateurs décrivant la mesure. Les principaux défauts des détecteurs réels, dont la gigue temporelle, l’efficacité finie et les coups d’obscurité sont pris en compte. L’utilisation des opérateurs est illustrée par la description d’expériences usuelles de l’optique quantique. Enfin, on montre que la lecture du temps de clic du détecteur permet d’améliorer la qualité de l’état généré par une source de photons annoncés. En troisième partie nous présentons un schéma de génération d’intrication hybride entre variables continues et discrètes, pour laquelle la partie discrète est encodée temporellement. Ce schéma est analysé en détail vis-à-vis de sa résistance aux imperfections expérimentales.

This thesis studies multimode quantum optics, from generation to detection of light. It focuses on three main parts. Multimode squeezed states generation within cavity is studied. More specifically, we take into account general quadratic Hamiltonian, which allows describing experiments involving arbitrary number of modes and pumps within a medium performing four-wave mixing. We describe a generic approach combining Green functions and symplectic matrix decomposition. This general theory is illustrated on specific cases. First, low-dimensional examples are given. Then, a synchronously pumped optical parametric oscillator (SPOPO) is described and studied; it shows a very distinct behavior from that of the SPOPO using second order non-linearity. This work opens way to the realization of quantum frequency combs with ring micro-resonators engraved on silicon. Single-photon detectors are described taking into account temporal degrees of freedom. We give positive-valued measurement operators describing such detectors including realistic imperfections such as timing-jitter, finite efficiency and dark counts. Use of those operators is illustrated on common quantum optics experiments. Finally, we show how time-resolved measurement allows improving the quality of state generated by single-photon heralded source. In the third part we propose a protocol for generating a hybrid state entangling continuous and discrete variables parts, for which the discrete part is time-bin encoded. This scheme is aanalysed in detail with respect to its resilience to experimental imperfections.