Information quantique photonique haute fidélité : protocoles et contrôle de circuits universels

Dans cette thèse de doctorat, nous contribuons au domaine de la photonique quantique intégrée pour le traitement de l'information quantique, notamment via la caractérisation, le contrôle et les applications de circuits photoniques intégrés (PIC). Les PICs permettent une manipulation compacte et stable de la lumière quantique. Nous interfaçons des sources brillantes de photons uniques à base de boites quantiques semi-conductrices avec des PICs en silice ou en nitrure de silicium, afin d'implémenter des protocoles d'information quantique.Nous réalisons d'abord des protocoles quantiques à l'aide de PICs spécialisés. Avec deux photons uniques et une intrication post-sélectionnée encodée en chemin, nous démontrons pour la première fois la génération sur puce d'aléa certifié. Grâce à la stabilité du système optique et la calibration fine des déphaseurs du PIC, nous obtenons un débit de 21 bits certifiés par seconde sur une acquisition de 94 heures. Avec la manipulation précise et stable de quatre qubits photoniques, nous générons un état 4-GHZ post-sélectionné sur puce intégrée avec une fidélité de 86 % et une pureté de 76 %, établissant ainsi de nouvelles références pour la génération et la tomographie d'états photoniques de haute fidélité.En passant aux architectures PIC universelles, nous relevons le défi du contrôle optimal d'interféromètres comportant plusieurs centaines de composants intégrés. Nous développons une technique de caractérisation assistée par apprentissage machine, qui identifie avec précision les imperfections du PIC telles que la diaphonie thermique entre déphaseurs, les erreurs de réflectivité des séparateurs de faisceaux et les pertes en sortie. L'estimation de ces paramètres permet de mettre en œuvre des compensations efficaces d'imperfections de fabrication et d'atteindre expérimentalement une fidélité moyenne en amplitude record de 99,77 % entre les opérations unitaires photoniques ciblées et celles implémentées. Le PIC utilisé pour cette démonstration est un interféromètre de Clements sur 12 modes, l'un des plus grands PIC disponibles, comprenant 132 séparateurs de faisceaux et 126 déphaseurs. Enfin, en tirant parti de l'interprétabilité de notre modèle d'apprentissage machine, nous explorons la physique des PICs afin de cibler un contrôle des PICs limité par le bruit. Nous affinons les modèles de diaphonie pour les PICs, en tenant compte des variations des propriétés physiques des guides d'ondes intégrés lorsque des déphaseurs adjacents sont activés. Nous introduisons une méthode générale de compensation de diaphonie, et proposons un critère graphique permettant d'identifier les schémas d'interféromètres robustes vis-à-vis de la diaphonie. Il s'agit d'une étape importante pour le passage à l'échelle du nombre de qubits photoniques manipulés à l'aide d'interféromètres spécialisés. Notre contribution garantit une précision optimale des opérations appliquées sur la lumière. Nos résultats ouvrent la voie à des architectures quantiques photoniques plus fiables, rapprochant ainsi l'objectif technologique d'un ordinateur quantique photonique tolérant aux erreurs. Les avancées réalisées en caractérisation et en contrôle optimal de PICs, grâce à une technique que nous avons brevetée reposant sur l'apprentissage machine, dépassent le cadre de la photonique quantique et contribuent également à l'essor de la photonique intégrée classique.