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Réseau embryonnaire de communication quantique

- Porteur : Tanzilli Sébastien

- Collaborateurs LPMC : Alibart Olivier

- Collaborateurs extérieurs : Chanelière Thierry (Laboratoire Aimé Cotton (LAC), UPR 9188 du CNRS, de l’Université Paris Sud, et de l’Ecole Normale de Cachan, Orsay) : Zaquine Isabelle (Laboratoire Traitement et Communication de l’Information (LTCI), UMR 5141 de Telecom ParisTech et du CNRS, Paris)

- Doctorants/Post-docs : Aktas Djeylan, Bin-Ngah Lutfi-Arif, Issautier Amandine

- Soutiens financiers : Fondation Simone & Cino Del Duca (Institut de France) ; Fondation iXCore pour la recherche ; Région PACA ; Région IDF.

- Description :

L’intrication, qui se situe au coeur de la théorie quantique, trouve aujourd’hui des applications dans le domaine de l’information quantique. Elle est en effet une ressource essentielle pour les expériences de distribution quantique de clés secrètes et pour la manipulation de l’information quantique au travers de la téléportation d’états et du stockage quantiques.

Dans le cadre des réseaux de communication quantique longue distance, la mise en place de nœuds permettant le stockage de bits d’information quantique (qubits) représente aujourd’hui une tâche à la fois difficile mais essentielle au bon fonctionnement des réseaux. Ces nœuds d’interconnexion, ou répéteurs quantiques, s’appuient généralement sur des interactions lumière/ matière où un photon provoque l’excitation collective d’un ensemble atomique tel qu’un nuage d’atomes froids ou un cristal dopé avec des ions de terre-rares. Parmi les nombreuses espèces ioniques et atomiques étudiées à l’international, trois sortent du lot. D’une part, nous trouvons les ions thulium (Tm) et erbium (Er), qui interagissent avec la lumière aux longueurs d’ondes respectives de 793 (protocole de stockage AFC) et 1538 nm (protocole de stockage ROSE) et d’autre part les nuages d’atomes froids de rubidium (Rb), opérant à 795 nm.

D’autre part, nous étudierons également l’émission de photons intriqués émis dans un peigne de paires de canaux DWDM des télécoms, en vue d’application à la distribution quantique de clés de cryptographie à haut débit.

L’objectif de ce projet concerne donc la démonstration d’une source de paires de photons émis aux longueurs d’onde des télécommunications, en bande spectrale ultra-étroite (environ 10 MHz) [1], ou correspondant aux canaux DWDM des télécommunications optiques, intriqués de façon hybride sur les observables temps d’émission et polarisation. Notamment, en ce qui concerne les bandes spectrales ultra-étroites :

  • L’émission des paires de photons reposera sur la conversion paramétrique au sein d’un guide optique intégré non-linéaire, avec une utilisation des paires de photons en mode non dégénéré (photons intriqués à deux longueurs d’ondes différentes, ici 1538 nm et l’autre à 1560 nm). L’émission en bande ultra-étroite reposera sur une paire de filtres de Bragg fibrés à l’état de l’art de la technologie actuelle, et ce afin de rendre les photons compatibles avec les raies d’absorption des mémoires quantiques atomiques considérées.
  • Du point de vue fondamental, il conviendra de montrer théoriquement et expérimentalement la faisabilité de l’intrication hybride. Une extension à base de deux guides d’ondes montés en parallèle sera également étudiée pour la génération d’états intriqués uniquement en polarisation.
  • Du point de vue fondamental également, nous visons le couplage, au laboratoire, du photon à 1560 nm avec un ensemble d’atomes froids de Rb servant de support à une mémoire quantique opérée en source déterministe de photons uniques à 795 nm (voir projet Remote entanglement of two quantum memories by quantum state teleportation. Pour ce faire, l’idée est d’effectuer une expérience d’interférence à deux photons en envoyant sur un beam-splitter le photon venant de la source d’intrication et l’autre venant de la source de photons uniques (effet Hong-Ou-Mandel). Afin de d’observer une interférence maximale, les deux photons doivent être indiscernables en terme de longueur d’onde. Ceci sera rendu possible en convertissant la longueur d’onde des photons uniques grâce au processus de génération de différence de fréquences au sein d’un guide optique intégré non-linéaire (795 nm -> 1560 nm).
  • Enfin, du point de vue application en information quantique, le photon à 1538 nm sera donc directement compatible avec une mémoire quantique reposant sur un cristal dopé erbium (rendu disponible par le biais d’une collaboration avec le Laboratoire Aimé Cotton (LAC) à Orsay). D’autre part le photon à 1560 nm sera rendu compatible avec les mémoires quantiques de type nuage d’atomes froids de Rb (LPMC) ou de type cristal dopés aux ions thulium (LAC) via le processus de génération de somme de fréquences au sein d’un guide optique intégré non-linéaire.

Notons enfin que ce projet est la suite naturelle du projet e-QUANET financé par l’ANR (ANR-09-BLAN-0333-01 [2009-2012]) et la Région PACA dans son volet "exploratoire".

[1] "A versatile source of polarization entanglement for quantum network applications", F. Kaiser, A. Issautier, O. Alibart, A. Martin, and ST, Laser Phys. Lett. 10, 045202 (2013).

Mots-clés

MOSAIQ, QILM