Optique Intégrée pour les Communications Quantiques
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Laboratoire de Physique de la Matière Condensée Optique Intégrée pour les Communications Quantiques J.-Sébastien TANZILLI Directeur : D.B. Ostrowsky Plan de l’exposé I. Introduction et Motivations II. Les guides PPLN Rappels et cahier des charges III. Efficacité de la conversion paramétrique en mode comptage de coïncidences IV. Le degré d’intrication Expériences d’interférométrie quantique I. Introduction et Motivations Les Communications Quantiques & La source de paires de photons idéale 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 Intrication Impossibilité de décrire indépendamment 2 systèmes séparés spatialement 2 1 S L’observable polarisation 1,2 1 2 1 2 1 2 Non factorisable fortes corrélations quantiques La Conversion Paramétrique Optique Milieu quadratique Limitations des cristaux massifs • Accordabilité restreinte (biréfringence) pefficacités s i de conversion k p ks k i • Faibles + Émission quasi simultanée Intrication énergie-temps 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 Optique Intégrée – Guides PPLN II. Les guides PPLN Quelques rappels & Cahier des charges Interaction accordable et efficace PPLN pompe Signal p , k p + - + - + - + Idler s , k s i , k i LiNbO3 Champ E appliqué périodiquement PPLN + bain acide n >doux 0 à travers le masque Échange protonique (SPE) énergie p s i signe coeff. NL Alternance 0,5 dB/cm du 0,02 ndu 0,03 2 k p ks ki impulsion Cahier des charges • Longueur d’onde télécom (fibres) • Paires de photons dégénérés (indiscernables) = 12,1µm p 657 nm s,i 1314 nm III. Efficacité en mode comptage de coïncidences 1. En mode continu (CW) Probabilité de créer une paire par photon de pompe 2. En mode impulsionnel Probabilité de créer une paire par impulsion Comptage de coïncidences en mode CW Histogramme expérimental ~300 ps 8 ns de coups simples • S1 et S2 = taux • RC = taux de coïncidences Mesure de l’efficacité conv N Np NP PP p hc PP Np S1net 11 N Snet 2 2 2 N R Cnet 21 11 2 2 N Pconv N net net S1 hc SN 2 pSnet hc 1 11 N conv net 2RC Snet P2 P 2P2 N R Cnet 21 11 2 2 N Indépendante des pertes !! Résultats avec nos guides PPLN • conv > 10-6 Amélioration de 4 ordres de grandeur par rapport au meilleur cristal massif (KNbO3, Tittel et al.) • Fort potentiel pour la génération simultanée de 2 paires de photons (ou plus) L’expérience en mode impulsionnel Contrôler expérimentalement la création simultanée de plusieurs paires Cryptographie surtout pas !!! Intrication à plusieurs particules L’expérience en mode pulsé L’histogramme expérimental Le problème de la détection Pics satellites Ppaire • Calcul des P(événements coïncidents/pics) P t 0 ,P t 12,5 f(Ppaire ) avec Ppaire = f (Ppompe) • Rapport : t 0 P 1 t 12,5 P (Ppompe ) Modélisation Hypothèse 1 1 paire au plus/impulsion Hypothèse 2 2 paires au plus/impulsion critique pompe P Distribution Q de clé 15,7 W 5,6 W 1,7 W 53 W 36 W Génération de multi-paires IV. Le degré d’intrication 1. En mode continu « l’énergie-temps » 2. En mode impulsionnel les « Time-Bins » L’interféromètre de Franson « Révéler » l’intrication en énergie-temps DA lA A DA A sA start Laser +Géné. PPLN+BS waveguide B S TAC DB lB sB B DB stop • Coïncidences RC oscille en fonction de A+B Vraies Coïncidences RC oscille en fonction de A+ B • Les paires « portent » la cohérence de la pompe quantique unique des paires inconnus Laser continuObjet temps d’émission sA-s • Qualité de l’intrication indiscernables contraste des franges B & lA-lB sont Réalisation expérimentale lA DA A DA A Guide PPLN BS PPLN+waveguide S sA B lB sB DB DB 1. Écarter les interférences au premier ordre Les 2 conditions 2. Maximiser Lles ,interférences L Ls,i au second ordre MQ R ) AC 1 B cos( Cs,i A B L A LLBA (20 cm) L C ( 40 m) L B A B A B c 100%c de contraste p L A ALBB (20 cm) L AC (B100 m) L A L B L A L B Limite théorie locale/quantique 2c 2c est de 71% p L c B Résultats avec un guide PPLN régime continu intrication en énergie-temps Vnette 97% Vnette proche 100% Très haut degré d’intrication Résultats avec un guide PPLN régime impulsionnel intrication en Time-Bins Vnette 84% Vnette > 71% interférences quantiques Résumé des travaux • Les exp. de comptage de coïncidences – En continu : mesures originales (immunes aux pertes) Guide PPLN conv > 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%) Conclusion Technologie de l’intégration + Communications Quantiques Communications Quantiques Intégrées 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) Expérience de Franson avec un laser pulsé Intrication en time-bins (1) 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 Réalisation expérimentale 100% de contraste aligner les 3 interféromètres LA LB LC p s,i i ,s Simplification : le Franson replié p = 0,2 nm (réseau) Résultats avec un guide PPLN régime impulsionnel intrication en Time-Bins Vnette 84% Vnette > 71% interférences quantiques 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
