Photonique quantique sur puce AlGaAs : des études fondamentales aux applications dans les protocoles d'information quantique

AlGaAs quantum photonics : from fundamental studies to applications in quantum information protocols

• Auteur / Autrice : Othmane Meskine
• Direction : Sara Ducci
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 20/12/2024
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Matériaux et phénomènes quantiques (Paris ; 2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Valia Voliotis
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc-Olivier Renou
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Virginia D'Auria, Kamel Bencheikh

Mots clés

Mots clés contrôlés

Semiconducteurs

Circuits intégrés photoniques

Théorie de l'information quantique

Mots clés libres

Information quantique

Intrication

Interférences quantique

Nonlocalité

Photonique quantique intégrée

Semi-Conducteurs

Métrologie quantique

Communications quantiques

Quantum information

Entanglement

Quantum interference

Nonlocality

Integrated quantum photonics

Semiconductors

Quantum metrology

Quantum communications

Résumé

Le domaine des technologies quantiques, qui vise à manipuler des systèmes quantiques individuels tels que les atomes et les photons, a connu des avancées significatives ces dernières années, ouvrant de nouvelles perspectives dans les domaines du calcul, de la simulation, de la communication et de la métrologie. La photonique quantique intégrée se présente comme une approche prometteuse pour la miniaturisation et la mise à l'échelle de ces technologies, permettant la génération, la manipulation et la détection d'états quantiques de la lumière directement sur puce. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur la plateforme AlGaAs, qui combine plusieurs avantages pour le développement de dispositifs photoniques quantiques intégrés (bande interdite directe, fortes non-linéarités de deuxième et troisième ordre, effet électrooptique), et qui est un choix attractif pour la génération de paires de photons intriqués à température ambiante et à des longueurs d'onde télécom. le travail présenté dans ce manuscrit s'articule autour de trois parties principales. La première, consacrée l'intégration de plusieurs fonctionnalités sur une puce monolithique en AlGaAs, a permis la génération de paires de photons à large spectre et leur séparation en polarisation directement sur puce. Dans la deuxième partie, nous abordons deux questions fondamentales : celle de la limite de précision des mesures de temps basées sur l'interférence Hong-Ou-Mandel dans des conditions non idéales et celle de la nonlocalité quantique dans les réseaux triangulaires. Dans le premier cas, nous proposons un modèle et le validons expérimentalement, en démontrant la dépendance de la précision avec la visibilité de l'interférogramme pour différents types d'états de sonde ; grâce au grand niveau d'indiscernabilité des photons générés par la source AlGaAs, nous atteignons un rapport de 0,97 par comparaison à la limite quantique, établissant ainsi une nouvelle référence dans le domaine. Dans le second cas, nous démontrons pour la première fois l'existence de non-localité dans un réseau triangulaire sans supposer une indépendance complète des sources en simulant le réseau avec divers canaux en fréquence de l'état émis par notre source et en exploitant son niveau élevé d'intrication en polarisation sur une large bande spectrale. Une nouvelle inégalité de type Bell est dérivée en prenant en compte des imperfections potentielles dans les états quantiques, offrant ainsi un cadre plus réaliste pour les tests expérimentaux. Enfin, dans la troisième partie de cette thèse, nous utilisons nos sources AlGaAs dans un réseau de communication quantique déployé dans la région parisienne. Le lien fibre optique reliant les deux campus de l'Université Paris Cité et de Sorbonne Université est caractérisé expérimentalement dans les régimes classique et quantique. Les résultats fournissent une base solide pour la mise en œuvre future de protocoles cryptographiques sur un réseau urbain à fibres optiques et soulignent le potentiel de la plateforme AlGaAs pour l'implémentation de protocoles d'information quantique dans des conditions réelles.

The field of quantum technologies, aimed at manipulating individual quantum systems such as atoms and photons, has seen significant advances in recent years, opening new perspectives in computing, simulation, communication, and metrology. Integrated quantum photonics stands out as a promising approach for the miniaturization and scaling of these technologies, enabling the generation, manipulation, and detection of quantum states of light directly on a chip. In this thesis, we focus on the AlGaAs platform, which combines several advantages for the development of integrated quantum photonic devices (direct bandgap, strong second and third-order nonlinearities, electrooptic effect), and which is an attractive choice for the generation of entangled photon pairs at room temperature and telecom wavelengths. The work presented in this manuscript is structured around three main parts. The first one, dedicated to the integration of several functionalities on a monolithic AlGaAs chip, has led to the generation of broadband photon pairs and their polarization splitting on-chip. In the second part, we address two fundamental questions: the precision limits of time measurements based on Hong-Ou-Mandel interference under non-ideal conditions, and quantum nonlocality in triangle networks. In the first case, we propose a model and validate it experimentally, demonstrating the scaling of precision with the visibility of the interferogram for different types of probe states; thanks to the high indistinguishability of the photons generated by the AlGaAs source, we achieve a ratio of 0.97 with respect to the quantum limit, establishing a new benchmark in the field. In the second case, we demonstrate for the first time the existence of nonlocality in a triangular network without assuming complete source independence by simulating the network with different frequency channels of the state emitted by our source and exploiting its high level of polarization entanglement over a wide spectral band. A new Bell-type inequality is derived, accounting for potential imperfections in quantum states, thus providing a more realistic framework for experimental tests. Finally, in the third part of the thesis, we use our AlGaAs sources in a deployed quantum communication network within the Paris region. The fiber link connecting the two Campuses of Université Paris Cité and Sorbonne Université is experimentally characterized in both classical and quantum regimes. The results provide a solid foundation for the future implementation of cryptographic protocols on an urban fiber network and highlight the potential of the AlGaAs platform for implementing quantum information protocols in real-world conditions.