Contribution aux réseaux de communications quantiques avec des photons intriqués en fréquence par des résonateurs en Silicium

Les réseaux quantiques améliorent les systèmes de communication quantique et établissent des connexions entre plusieurs noeuds grâce à la distribution de ressources quantiques, par exemple des états intriqués. Les photons constituent d'excellents porteurs d'information quantique, car ils peuvent transporter ces ressources quantiques à travers des fibres optiques, où les fluctuations environnementales et les pertes optiques sont réduites. L'exploitation d'états quantiques de haute dimension, appelés qudits, permet un transfert d'informations plus dense et une meilleure résistance au bruit que l'utilisation des qubits, leurs équivalents binaires. Passer des qubits aux qudits conduit généralement à plus de complexité expérimentale. L'information quantique peut être encodées dans plusieurs degrés de liberté du photon. On souhaite que l'encodage soit compatible avec les architectures de réseaux quantiques à fibre optique. L'encodage en fréquence est robuste face aux fluctuations de phase ou de polarisation et compatible avec l'infrastructure fibrée existante, tout en permettant l'accès à un espace de Hilbert de haute dimension. Les qudits encodés en fréquence sont manipulés à l'aide de dispositifs fibrés commerciaux, tels que les modulateurs électro-optiques, ce qui permet en outre la parallélisation des opérations. Dans cette thèse de doctorat, nous utilisons des états de Bell encodés en fréquence de dimension d=2 (qubits) et d=3 (qutrits). Nous réalisons une preuve de concept d'un réseau de distribution de clés quantiques basé sur l'intrication, et nous comparons différentes méthodes pour démontrer l'échange d'intrication dans le domaine fréquentiel. Nous utilisons un résonateur spiralé en silicium comme source paramétrique de paires de photons via un mélange à quatre ondes. Nous démontrons un peigne de fréquences et l'accès à 80 modes de fréquentiels. Nous sélectionnons 21 liaisons quantiques capables de transférer des qubits ou des qutrits encodés en 'bins' de fréquence à l'aide d'un seul dispositif expérimental. Nous évaluons et optimisons la source - via la puissance de pompage -, le traitement du signal - via la taille de la fenêtre de coïncidence - et la dimension des qu-d-its jusqu'à d=5 afin de maximiser les performances du réseau quantique de distribution de clés. Nous proposons ainsi une stratégie adaptative pour augmenter le débit d'informations sécurisées transmises en tirant parti de la capacité de codage dense des états quantiques de haute dimension et en bénéficiant du rapport signal sur bruit plus élevé des qubits. Nous montrons qu'on peut ainsi communiquer jusqu'à une distance simulée de 295 km. Nous comparons des méthodes pour démontrer un protocole d'échange d'intrication encodé en fréquence. L'échange d'intrication est une primitive pour les répéteurs quantiques permettant d'augmenter encore la portée de communication. Pour générer une intrication en fréquence entre des photons n'ayant jamais interagi, nous considérons deux paires de photons non corrélées dans le peigne de fréquences en utilisant des modes de fréquence alternés. Nous proposons deux méthodes pour faire interférer des photons provenant des paires de photons distinctes, transférant ainsi l'intrication aux deux photons restants, qui n'ont pas interagi.