Optique Intégrée pour les Communications Quantiques

2. Optique Intégrée pour les Communications Quantiques Laboratoire de Physique de la Matière Condensée J.-Sébastien TANZILLI Directeur : D.B. Ostrowsky

3. Plan de l’exposé • Introduction et Motivations • Les guides PPLN Rappels et cahier des charges • Efficacité de la conversion paramétrique en mode comptage de coïncidences • Le degré d’intrication Expériences d’interférométrie quantique

4. I. Introduction et Motivations Les Communications Quantiques & La source de paires de photons idéale

5. Les Communications Quantiques Utiliser les propriétés caractéristiques de la MQ pour transmettre une information • Distribution Q de clé (QKD) à photon unique • Théorème de Heisenberg sécurité • Téléportation d’état, QKD à paires de photons • L’intrication  corrélation Q

6. L’observable polarisation 2 1 S Intrication Impossibilité de décrire indépendamment 2 systèmesséparés spatialement Non factorisable  fortes corrélations quantiques

7. Limitations des cristaux massifs • Accordabilité restreinte (biréfringence) • Faibles efficacités de conversion  Intrication énergie-temps La Conversion Paramétrique Optique Milieu quadratique + Émission quasi simultanée

8. Compacte et insérable dans un réseau télécom • Choix sur s,i • Haute efficacité de conversion • Création simultanée de multiples paires • Photons intriqués en énergie-temps • Indépendance quant à la polarisation  Optique Intégrée – Guides PPLN La Source Idéale pour sortir du labo… • Compacte et insérable dans un réseau télécom • Choix sur s,i • Haute efficacité de conversion • Création simultanée de multiples paires • Photons intriqués en énergie-temps • Indépendance quant à la polarisation • Compacte et insérable dans un réseau télécom • Choix sur s,i • Compacte et insérable dans un réseau télécom • Choix sur s,i • Haute efficacité de conversion • Création simultanée de multiples paires

9. II. Les guides PPLN Quelques rappels & Cahier des charges

10. PPLN pompe Signal Idler - - - - + + + + LiNbO3  PPLN + bain acide n > 0à travers le masque Échange protonique doux (SPE) énergie   0,5 dB/cm 0,02 Dn  0,03 impulsion Interaction accordable et efficace Champ E appliqué périodiquement • Alternance du signe du coeff. NL

11.  = 12,1µm Cahier des charges • Longueur d’onde télécom (fibres) • Paires de photons dégénérés (indiscernables)

12. III. Efficacité en mode comptage de coïncidences • En mode continu (CW) Probabilité de créer une paire par photon de pompe • En mode impulsionnel Probabilité de créer une paire par impulsion

13. Histogramme expérimental ~300 ps 8 ns Comptage de coïncidences en mode CW • S1 et S2= taux de coups simples • RC= taux de coïncidences

14.  Mesure de l’efficacité Indépendante des pertes !!

15. Résultats avec nos guides PPLN • conv > 10-6 Amélioration de 4 ordres de grandeur par rapport au meilleur cristal massif (KNbO3, Tittel etal.) • Fort potentiel pour la génération simultanée de 2 paires de photons (ou plus)

16. Cryptographie  surtout pas !!! Intrication à plusieurs particules L’expérience en mode impulsionnel Contrôler expérimentalement la création simultanée de plusieurs paires

17. L’expérience en mode pulsé

18. L’histogramme expérimental

19. Le problème de la détection

20. Rapport : avec Ppaire = f (Ppompe) Pics satellites  Ppaire • Calcul des P(événements coïncidents/pics)

21. 53 mW 36 mW Distribution Q de clé Génération de multi-paires 15,7 mW 5,6 mW 1,7 mW Modélisation Hypothèse 1 1 paire au plus/impulsion Hypothèse 2 2 paires au plus/impulsion

22. IV. Le degré d’intrication • En mode continu « l’énergie-temps » • En mode impulsionnel les « Time-Bins »

23. DA DB PPLN waveguide Laser +Géné. +BS S fA fB A B DA DB start stop lA lB TAC sB sA • Coïncidences  RC oscille en fonction de fA+fB • Les paires « portent » la cohérence de la pompe • Objet quantique unique Laser continu  temps d’émission des paires inconnus sA-sB& lA-lB sont indiscernables L’interféromètre de Franson « Révéler » l’intrication en énergie-temps Vraies Coïncidences RC oscille en fonction de A+ B • Coïncidences  RC oscille en fonction de fA+fB • Les paires « portent » la cohérence de la pompe • Objet quantique unique • Qualité de l’intrication contraste des franges

24. DA DB PPLN waveguide Guide PPLN + BS S fA fB A B DA DB Les 2 conditions 1. Écarter les interférences au premier ordre 2. Maximiser les interférences au second ordre lA lB 1.Écarter les interférences au premier ordre sB sA MQ  100% de contraste Réalisation expérimentale Limite théorie locale/quantique est de 71%

25. Vnette 97% Résultats avec un guide PPLNrégime continu intrication en énergie-temps Vnette proche 100% Très haut degré d’intrication

26. Vnette  84% Résultats avec un guide PPLNrégime impulsionnel intrication en Time-Bins Vnette > 71%  interférences quantiques

27. Résumé des travaux • Les exp. de comptage de coïncidences • En continu : mesures originales (immunes aux pertes) Guide PPLN hconv > 10-6 • En pulsé : histogramme multiple Ppaire/pulse • Les exp. d’interférométrie Q avec guide PPLN • Très haute qualité d’intrication en énergie-temps (97%) • Violation de la « limite locale » pour les time-bins (84%)

28.  Communications Quantiques Intégrées Conclusion Technologie de l’intégration + Communications Quantiques

29. Communications Quantiques Intégrées Nouvelles structures guidantes utiles au traitement de l’information Q • s,i = 1,3 & 1,5 µm (intrication N>2) • Intégration de plusieurs composants (BS, WDM) • Expériences sur longue distance (QKD)

31. Expérience de Franson avec un laser pulséIntrication en time-bins (1)

32. Les time-bins (2) Les coïncidences entre Charly et Bob… Pour retrouver les 100% de contraste, il faut tenir compte de l’instant d’émission des photons de pompe coïncidences triples

33.  Simplification : le Franson replié Réalisation expérimentale 100% de contraste  aligner les 3 interféromètres Dlp = 0,2 nm (réseau)

34. Vnette  84% Résultats avec un guide PPLNrégime impulsionnel intrication en Time-Bins Vnette > 71%  interférences quantiques

35. Pourquoi un taux non maximal ? • Alignement problématique des interféromètres • Dispersion dans l’interféromètre A (fibre @ 655 nm)  Interféromètre en optique massive • Dégénérescence + spectre de pompe large Caractériser le signal de fluo avec le laser pulsé • Création de plus d’une paire de photon ? Brise les corrélations quantiques