Laboratoire de Physique de la Matire Condense Optique

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 1 S 2 L’observable polarisation Non factorisable fortes corrélations quantiques

La Conversion Paramétrique Optique Milieu quadratique Limitations des cristaux massifs • Accordabilité restreinte (biréfringence) • Faibles efficacités de conversion + 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 + - + - + Idler Li. Nb. O 3 Champ E appliqué périodiquement PPLN + bain acide n > doux 0 à travers le masque Échange protonique (SPE) énergie signe coeff. NL Alternance 0, 5 d. B/cm du 0, 02 ndu 0, 03 impulsion

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

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 • S 1 et S 2 = taux • RC = taux de coïncidences

Mesure de l’efficacité Indépendante des pertes !!

Résultats avec nos guides PPLN • conv > 10 -6 Amélioration de 4 ordres de grandeur par rapport au meilleur cristal massif (KNb. O 3, 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) avec Ppaire = f (Ppompe) • Rapport :

Modélisation Hypothèse 1 1 paire au plus/impulsion Hypothèse 2 2 paires au plus/impulsion 53 m. W Distribution Q de clé 15, 7 m. W 5, 6 m. W 1, 7 m. W 36 m. 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 l. A A DA A start Laser +Géné. PPLN+BS waveguide B S TAC DB l. B s. B 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 unique Laser continu Objet tempsquantique d’émission des paires inconnus -s. Bl’intrication & l. A-l. B sont indiscernables • Qualités. Ade contraste des franges

Réalisation expérimentale A l. A DA s. A Guide PPLN BS PPLN+waveguide S B l. B s. B DB DB Écarterles lesinterférences aupremierordre 1. 1. Écarter au Les 2 conditions 2. Maximiser les interférences au second ordre MQ 100% de contraste Limite théorie locale/quantique est de 71% 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 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 Simplification : le Franson replié Dlp = 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