Systèmes optiques pour les technologies quantiques, de
Ecole Doctorale Sciences Fondamentales et Appliquées
Université Nice Sophia Antipolis
UFR Sciences
Proposition de Sujet de Thèse pour Contrat Doctoral UNS
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Titre de la thèse
Systèmes optiques pour les technologies quantiques, de la théorie aux applications
Thesis Title
Optical systems for quantum technologies, enabling applications by theoretical
developments
Directeur de Thèse (HDR ou assimilé)
Nom : Tanzilli
Prénom : Sébastien
Téléphone : 04 92 07 67 68
Courriel : [email protected]
Laboratoire d'accueil
LPMC
Co-directeur
Nom : D'Auria
Prénom : Virginia
HDR : Non
Unité de recherche : LPMC
Téléphone : 0492076761
Courriel : [email protected]
Domaine Scientifique
DS2 - Physique
Ecole Doctorale Sciences Fondamentales et Appliquées
Université Nice Sophia Antipolis
UFR Sciences
Description du sujet
L’information quantique est un domaine de recherche très prometteur. L’exploitation des
propriétés de l’intrication rend possible de dépasser les limites classiques. De nombreuses
applications sont envisagées telles que la distribution de clefs cryptographiques, la
métrologie au-delà des limites imposées par le bruit quantique des sources “naturelles”, le
calcul quantique, ou encore la simulation quantique. Pour tous ces domaines, des
expériences de principe ont été menées, mais bien souvent elles sont difficilement
reproductibles à plus grande échelle. Les supports physiques de l’information quantique
peuvent être de nature très différente. Parmi les plus courants, on trouve les atomes
froids, les atomes artificiels (diamant contenant une impureté), les molécules, les circuits
supraconducteurs et bien sur la lumière.
L’utilisation de cette dernière pour la réalisation de systèmes quantiques présente de
nombreux avantages. En effet, interagissant peu avec son environnement, l’information
codée sur des photons résiste bien à la décohérence. Par ailleurs, l’existence des
technologies liées à la photonique simplifie les réalisations expérimentales et permet
d’envisager des applications hors du laboratoire à relativement court terme.
La thèse envisagée consistera à explorer par la théorie des techniques qui devraient
permettre d’améliorer les systèmes de photonique quantique. Une première piste est
d’utiliser un peigne de fréquences et un cristal non-linéaire en régime de fluorescence
paramétrique afin d’obtenir des états compressés multimodes (multimode squeezing)
fonctionnant aux longueurs d’ondes télécoms. Une seconde piste est le regroupement sur
puce de l’ensemble des composants, i.e. source et étages de manipulation, pour la
réalisation de fonctions quantiques complexes.
Peigne de fréquences compressé aux longueurs d’ondes télécoms
On se représente le plus souvent l’information quantique codée sur des qubits, i.e. des
systèmes à deux niveaux. Mais il est également possible d’utiliser des variables continues,
quitte à n’utiliser qu’un sous-espace pour coder l’information. Une telle stratégie est
plutôt résistante à la décohérence. La génération de ces états est par contre délicate mais
pourrait être réalisée à partir d’un peigne de fréquences. Avec des états compressés
multimodes il est également possible d’effectuer des mesures au-delà de la limite
quantique standard. De plus le fonctionnement aux fréquences télécoms permet d’utiliser
une telle source avec les réseaux existant pour distribuer de l’intrication et réaliser des
tâches de cryptographie quantique.
Le travail à réaliser consistera ici à déterminer la meilleure configuration pour obtenir un
peigne de fréquences composé d’états compressés pour ses différents modes. On devra
notamment comparer les intérêts respectifs de placer le cristal non linéaire dans une
cavité ou bien de n’utiliser qu’un seul passage de la lumière à travers. Par exemple, il est
possible de créer un peigne de fréquences générant des paires de photons intriqués sur
une puce. Une réalisation consiste à utiliser un anneau créé dans un matériau optique non
linéaire (le silicium par exemple) dans lequel un laser envoie des impulsions de lumière.
C’est une manière prometteuse d’intégrer une source quantique sur une puce qui est en
cours d’étude au LPMC.
Dans cet axe de recherche, les objectifs et enjeux sont multiples et tous en rapport avec
les expériences conduites au sein du LPMC. En effet, on trouve d’une part des objectifs de
type “fondamentaux”, tels qu’étudier :
- l’influence de la structure en peigne de fréquence pour l’augmentation des corrélations
quantiques pouvant être établie entre partenaires distants d’un lien communication
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quantique ;
- l’établissement de protocoles de communication quantique reposant sur la distribution
d’intrication générée de manière déterministe par le biais d’états comprimés ;
et d’autre part des objectifs plus appliqués, tels que s’intéresser à :
- l’augmentation des débits des liens de communication quantique via la distribution
d’états comprimés dans les canaux standards des télécoms ;
- la faisabilité théorique et expérimentale de protocoles de communication quantique de
type multi-partites.
Photonique quantique en configuration réseau photonique sur puce
L’intégration sur une puce de l’ensemble des composants d’une expérience d’optique
quantique a de nombreux avantages, tels que la compacité, la stabilité et l’efficacité des
interaction optiques non linéaires. En arrangeant de manière adéquate la “puce optique”,
on peut envisager de réaliser de nombreuses fonctions quantiques, à la base notamment
de certains algorithmes de calcul ou de simulation quantiques. Dans le premier cas, on
parle de portes logiques quantiques, et dans le second cas d’opérateurs de type
hamiltoniens qui s’apparentent souvent à des systèmes complexes issus de la matière
condensée.
La supériorité des fonctions quantiques par rapport à leurs équivalents classiques ne peut
se matérialiser que lorsque l’on travaille à grande échelle, en d’autres termes lorsque
l’espace des configurations devient grand. En photonique quantique, cela se matérialise
par la manipulation d’un grand nombre de photons impliqués dans un état intriqué. Les
réseaux de guides d’ondes couplés se sont avérés être extrêmement prometteurs dans ce
domaine car ils permettent la réalisation de fonctions quantiques de base, mais également
d’intriquer (implémentation de la fonction) ou de dés-intriquer (lecture du résultat) autant
de photons que le nombre de guides couplés sollicités pour l’expérience le permettent.
Deux guides d’ondes couplés créent une intrication modales entre les photons contenus
dans chacun d’eux. Il faudra alors déterminer quel jeu de couplages choisir, a priori, pour
réaliser une fonction quantique donnée, comme par exemple un opérateur déplacement.
À l’heure où la flexibilité expérimentale commence à jouer un rôle prépondérant, la
photonique quantique sur puce promet des avancées uniques. On peut en effet envisager
de contrôler les constantes de couplage entre guides voisins grâce à l’application d’un
champ électrique approprié. Ainsi, si le matériaux considéré le permet, un contrôle en
temps réel permet un configuration, et une re-configuration, de ladite puce, si bien qu’il
devient alors envisageable d’effectuer des fonctions quantiques, sur demande, à la
manière d’un processeur classique (avec un jeu d’instructions).
Les connaissances potentiellement acquises et/ou à développer pour ce projet de thèse
s'articulent autour de la théorie de l'optique non-linéaire et quantique multi-modale, de la
théorie des modes couplés, ainsi qu’en simulation numérique.
Ce projet de thèse se situe dans le cadre des contrats ANR SITQOM
(http://www.agence-nationale-recherche.fr/projet-anr/?tx_lwmsuivibilan_pi2%5BCODE%5D
=ANR-15-CE24-0005), INQCA
(http://www.agence-nationale-recherche.fr/?Project=ANR-14-CE26-0038) et SPOCQ
(http://www.agence-nationale-recherche.fr/?Project=ANR-14-CE32-0019) développés dans
l’équipe d’accueil.
Site web équipe “Information Quantique avec la Lumière et la Matière (QILM)” du LPMC :
http://lpmc.unice.fr/spip.php?article851.
Description of the thesis
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