Étude théorique et expérimentale de l'intrication hybride à variables discrètes et continues pour les réseaux de télécommunication quantique

Theoretical and experimental study of hybrid entanglement with discrete and continuous variables for quantum telecommunications networks

• Auteur / Autrice : Léandre Brunel
• Direction : Virginia D'Auria, Sébastien Tanzilli
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 15/03/2022
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Physique de Nice
• Jury : Président / Présidente : Julien Laurat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Virginia D'Auria, Sébastien Tanzilli, Julien Laurat, Rosa Tualle-Brouri, Kamel Bencheikh, Olivier Pfister
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Rosa Tualle-Brouri, Kamel Bencheikh

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photonique

Théorie de l'information quantique

Intrication quantique

Optique quantique

Mots clés libres

Optique quantique

Intrication hybride

Information quantique

Photonique intégrée

Time-bin

États chats de Schrödinger

Quantum optics

Hybrid entanglement

Quantum information

Integrated photonic

Time-bin

Schrödinger cat states

Résumé

La lumière est un excellent candidat comme support d'information quantique en raison de la possibilité de réaliser des qubits optiques qui peuvent être transmis par des fibres optiques, manipulés au moyen de l'optique linéaire et interfacés avec la matière.La dualité onde-particule de la lumière a conduit à deux type d' encodages, traditionnellement séparés, de l'information quantique : une approche "à variables discrètes" (DV), basée par exemple sur des photons uniques, et une approche "à variables continues" (CV), qui repose sur des degrés de liberté continus tels que l'amplitude et la phase d'un champ lumineux.Les deux régimes présentent des avantages et des inconvénients spécifiques. L'approche DV a donné lieu à de nombreuses expériences révolutionnaires et permet de réaliser la téléportation avec une fidélité proche de l'unité, mais elle est dans la plupart des cas probabiliste et affectée par les limites des détecteurs de photons uniques. À l'inverse, l'approche CV peut bénéficier d'opérations inconditionnelles et d'une discrimination d'état non ambiguë, mais elle souffre d'une forte sensibilité aux pertes et de fidélités intrinsèquement limitées. Dans ce contexte, très récemment, l'hybridation entre les outils et concepts DV et CV a été envisagée comme une approche clé pour rassembler les avantages des deux régimes et contourner leurs limitations individuelles.Cette thèse s'inscrit dans cette démarche émergente mais potentiellement puissante. Plus précisément, elle explore l'intrication hybride entre des qubits optiques de type particule et de type onde. Cette ressource photonique complexe réunit les approches DV et CV et promet, entre autres, de transférer l'information d'un codage à l'autre. Dans la perspective d'applications futures des états hybrides aux communications longue distance sur fibres optiques et aux réseaux quantiques, la thèse se concentre en particulier sur l'étude et la réalisation d'états hybrides avec codage en time-bin sur le qubit de type particule. En time-bin, l'information est codée sur deux temps de génération/détection des photons. Par rapport aux autres approches, ce type d'encodage est particulièrement bien adapté à toute application impliquant des liaisons par fibre optique, car il est particulièrement robuste aux pertes et à la dispersion de polarisation. Dans le même esprit, la thèse explore également des ressources originales s'appuyant sur l'optique intégrée comme technologie habilitante pour la mise en œuvre future, hors laboratoire, de technologies quantiques basées sur l'intrication hybride.

In quantum information sciences and technologies, light is an excellent candidate as information carrier due to the possibility of realizing optical qubits that can be transmitted though optical fibres, manipulated by means of linear optics and interfaced with matter.The wave-particle duality of light has led to two traditionally-separated encodings of information: a ‘discrete-variable' (DV) approach, based for instance on single photons, and a ‘continuous-variable' (CV) one, which relies on continuous degrees of freedom such as amplitude and phase of a light field.Both regimes present specific advantages and drawbacks. DV approach has led to many ground-breaking experiments and allows achieving teleportation with close-to-unity fidelity but it is in most of the cases probabilistic and affected by single photon detector limitations. Conversely, CV approach can benefit from unconditional operations and unambiguous state discrimination but they suffer from strong sensitivity to losses and intrinsically limited fidelities. In this context, very recently, hybridization between DV and CV tools and concepts has been foreseen as a key approach to gather the benefits from both regimes and to circumvent their individual limitations.This thesis enters into this emerging but potentially powerful endeavour. More specifically, it explores hybrid entanglement between particle-like and wave-like optical qubits. This complex photonic resource brings together both DV and CV approaches and holds, among other, the promise of transferring information from an encoding to the other. In the perspective of future applications of hybrid states to long distance communication over optical fibres and to quantum networking, the thesis focuses in particular on the study and realization of hybrid states with time-bin encoding on the particle-like qubit. In time-bin, information is encoded on two generation/detection times for photons. Compared to the other approaches, this kind of encoding is particularly well adapted to any applications involving optical fibre links, as it is particularly robust against losses and polarization dispersion. In the same spirit, the thesis investigates original resources relying on integrated optics as an enabling technology for future out-of-the-laboratory implementation of quantum technologies based on hybrid entanglement.