Optique Intégrée pour les Communications Quantiques

J.-Sébastien TANZILLI

Laboratoire de Physique de la Matière Condensée

Directeur : D.B. Ostrowsky

Plan de l’exposé

I. Introduction et Motivations

II. Les guides PPLNRappels et cahier des charges

III.Efficacité de la conversion paramétrique en mode comptage de coïncidences

IV.Le degré d’intricationExpériences 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

Impossibilité de décrire indépendamment2 systèmes séparés spatialement

Non factorisable fortes corrélations quantiques

Intrication

1,2 2 11 2

1

2

L’observable polarisation

1 2S

p s i p s ik k k

+ Émission quasi simultanée

La Conversion Paramétrique Optique

Intrication énergie-temps

Milieu quadratique

Limitations des cristaux massifs

• Accordabilité restreinte (biréfringence)

• Faibles efficacités de conversion

La Source Idéale pour sortir du labo…

Optique Intégrée – Guides PPLN

• Compacte et insérable dans un réseau télécomChoix sur s,i

• Haute efficacité de conversionCréation simultanée de multiples paires

• Photons intriqués en énergie-tempsIndépendance quant à la polarisation

• Compacte et insérable dans un réseau télécomChoix sur s,i

• Haute efficacité de conversionCréation simultanée de multiples paires

• Photons intriqués en énergie-tempsIndépendance quant à la polarisation

• Compacte et insérable dans un réseau télécomChoix sur s,i

• Compacte et insérable dans un réseau télécomChoix sur s,i

• Haute efficacité de conversionCréation simultanée de multiples paires

Quelques rappels

Cahier des charges

II. Les guides PPLN

Champ E appliqué périodiquement

Alternance du signe du coeff. NL

Interaction accordable et efficace

LiNbO3

pompe

p p, k Signal

Idler i i, ks s, k

+ + ++ - - - -

PPLN

PPLN + bain acide n > 0 à travers le masquep s i

p s i

2k k k

énergie

impulsion0,02 n 0,03

0,5 dB/cm

Échange protonique doux (SPE)

Cahier des charges

• Longueur d’onde télécom (fibres)• Paires de photons dégénérés

(indiscernables)

p s,i657nm 1314nm

= 12,1µm

1. En mode continu (CW)Probabilité de créer une paire par

photon de pompe

2. En mode impulsionnelProbabilité de créer une paire par

impulsion

III. Efficacité en mode comptage de coïncidences

Comptage de coïncidences en mode CW

• S1 et S2 = taux de coups simples• RC = taux de coïncidences

Histogramme expérimental

~300 ps

8 ns

convp

NN

Mesure de l’efficacité

P p

P

PN

hc

convp

NN

P p

P

PN

hc

net1 1 1

net2 2 2

net 1C 1 1 2 22

S N

S N

R N

net1 1 1

net2 2 2

net 1C 1 1 2 22

S N

S N

R N

1 2

2

net net

conv netC P P

S S hcR P

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)

Contrôler expérimentalement

la création simultanée de plusieurs paires

Cryptographie surtout pas !!!

Intrication à plusieurs particules

L’expérience en mode impulsionnel

L’expérience en mode pulsé

L’histogramme expérimental

Le problème de la détection

• Rapport :t 0

t 12,5pompe

P 1P (P )

• Calcul des P(événements coïncidents/pics)

Pics satellites Ppaire

t 0 t 12,5paireP ,P f(P )

avec Ppaire = f (Ppompe)

ModélisationHypothèse 11 paire au

plus/impulsion

Hypothèse 22 paires au

plus/impulsion

1,7 W

5,6 W

15,7 W

36 W

53 W

Distribution Q de clé

Génération de multi-paires

critiquepompeP

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

Vraies Coïncidences RC oscille en fonction de A+ B

• Coïncidences RC oscille en fonction de A+B

• Les paires « portent » la cohérence de la pompe

Objet quantique unique

• Coïncidences RC oscille en fonction de A+B

• Les paires « portent » la cohérence de la pompe

Objet quantique unique

• Qualité de l’intrication contraste des franges

S

PPLN waveguide

DA DB

sA sB

lA lB

Laser +Géné.

+BSDB

BA

DA

TACstart stop

Laser continu temps d’émission des paires inconnus

sA-sB & lA-lB sont indiscernables

Réalisation expérimentale

s,iA B CL , L L

1. Écarter les interférences au premier ordre

A BA B A B

A B A BA B A B

L L

c c

L L L L2c 2c

1. Écarter les interférences au premier ordre 2. Maximiser les interférences au second ordre

p Lc

Les 2 conditions

s,iA B CL L (20cm) L ( 40 m)

pA B CL L (20cm) L ( 100m)

DB

BA

DA

C A BR 1 cos( )

100% de contraste

MQ

Limite théorie locale/quantique est de 71%

S

PPLN waveguide

DA DB

sA sB

lA lB

Guide PPLN+ BS

Résultats avec un guide PPLNrégime 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

p s ,i i ,sA B CL L L

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