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Photonique quantique

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La photonique joue un rôle central dans le développement des technologies de l’information quantique. Les systèmes de distribution de clés quantiques pour la cryptographie sont déjà sur le commerce et, grâce à leur vitesse et à leur robustesse à la décohérence, les photons sont au cœur des nombreux avancements vers des réseaux sécurisés à grande échelle, des systèmes métrologiques et des processeurs quantiques. Le défi principal vers la diffusion de ces applications est la miniaturisation et l’intégration de composants sur des puces fonctionnant à température ambiante. Notre groupe travaille sur la conception, fabrication et caractérisation de sources III-V de photons intriqués à température ambiante et aux longueurs d’onde télécom ; grâce à sa structure de bande directe, cette plateforme présente un intérêt évident pour l’injection électrique en ouvrant la voie à la génération, manipulation et détection d’états non classiques de la lumière sur une même puce. Dans la suite nous résumons nos derniers résultats.

Sources de photons intriqués contrapropageants

Partie réelle de la matrice densité de photons intriqués en polarisation
MPQ/QITe

Ces dispositifs sont basés sur un schéma d’accord de phase contrapropageant : dans cette géométrie, un faisceau de pompe (775 nm) éclaire le dessus d’un guide d’onde et génère deux modes guidées contrapropageants et polarisés orthogonalement (autour de 1550 nm) [1]. Ce type de source a conduit à plusieurs résultats majeurs : l’indiscernabilité des photons a été démontrée avec une expérience de Hong-Ou-Mandel [2], et leur intrication via la reconstruction de la matrice densité [3]. Le travail se poursuit avec l’étude de dégrées de liberté sur des espaces de Hilbert de haute dimension, comme la fréquence ou le moment orbital angulaire et sur l’intégration des sources avec des circuits photoniques quantiques.

Intégration de la source avec des séparateurs de faisceau 50/50
MPQ/QITe

Sources de paires de photons injectées électriquement à température ambiante

En tirant parti de la structure de bande directe du GaAs nous avons dessiné et démontré le premier pointeur laser à photons jumeaux [4] : ce dispositif pompé électriquement travaille à température ambiante et a été conçu pour émettre de la lumière laser autour de 775 nm et effectuer une conversion paramétrique interne efficace autour de 1.55 μm. Ce résultat est un progrès important de l’état de l’art puisque toutes les source de paires de photons démontrées jusqu’à présent sont soit injectée optiquement (cristaux diélectriques nonlinéaires ou fibres) soit fonctionnant à température cryogénique (boites quantiques). L’indiscernabilité et l’intrication énergie-temps ont été démontrées récemment dans un dispositif passif [5]. Le travail se poursuit avec la caractérisation de l’état à deux photons émis par la source pompée électriquement et avec l’utilisation du dispositif dans des réseaux quantiques fibrés.

Sketch du premier pointeur laser à photons jumeaux
MPQ/QITe

Ingénierie et mesure d’états quantiques

En collaboration avec les théoriciens, nous travaillons au développement de nouvelles méthodes pour la reconstruction des états à deux photons et à leur ingénierie pour des applications en information quantique. Notre source est utilisée comme test pout démontrer expérimentalement ces nouvelles techniques.

Simulations numériques d’un état compas pouvant être généré avec un de nos dispositifs
MPQ/QITe

Nous avons par exemple montré récemment qu’une simple modification de l’expérience HOM permet de reconstruire la fonctions de Wigner de l’état : ceci ouvre la voie vers la génération de chats de Schrödinger et d’état compas pour la métrologie [6].

Reconstruction expérimentale de la densité spectrale jointe d’un état à deux photons émis par une de nos sources
MPQ/QITe

Nous avons aussi montré que la caractérisation spectrale de corrélations quantiques générés par des sources paramétriques peut être effectuée par des mesures classiques avec une résolution spectrale sans précédent. Cette technique simplifiée permet d’accélérer le dessin et le test de sources intégrées massivement parallèles en fournissant une procédure de contrôle rapide et fiable [7].

[1] L. Lanco et al. "Semiconductor waveguide source of counterpropagating twin photons", Phys. Rev. Lett. 97, 173901 (2006).
[2] X. Caillet et al. "Two-photon interference with a semiconductor integrated source at room temperature", Optics Express 18, 9967 (2010).
[3] A. Orieux et al. "Direct Bell States Generation on a III-V Semiconductor Chip at Room Temperature", Phys. Rev. Lett. 110, 160502 (2013).
[4] F. Boitier et al. "An electrically injected photon-pair source at room temperature", Phys. Rev. Lett. 112, 183901 (2014). Editor’s choice & Viewpoint on physics.org.
[5] C. Autebert et al. " Integrated AlGaAs source of highly indistinguishable and energy-time entangled photons", Optica 3, 143 (2016).
[6]G. Boucher et al. "Toolbox for continuous-variable entanglement production and measurement using spontaneous parametric down-conversion", Phys. Rev. A 92, 023804 (2015).
[7] A. Eckstein et al. “High-resolution spectral characterization of two photon states via classical measurements”, Laser Photon. Rev., 8, 76 (2014).

Principaux collaborateurs

- Laboratoire de Photonique et Nanostructures : A. Lemaître, X. Lafosse, F. Raineri.
- University of Oxford : I. Walmsley’s team
- University of Geneva : H. Zbinden’s team.
- University of Pavia : M. Liscidini
- University of Toronto : J. Sipe