Le domaine des télécommunications quantiques connaît actuellement un fort développement. L’objectif est la transmission de clés de chiffrement par un canal quantique (QKD : quantum key distribution) sur fibre optique mais probablement aussi, à l’avenir, la communication entre ordinateurs quantiques [1]. Cette distribution de clés quantiques par satellite est également un sujet prioritaire pour toutes les agences spatiales depuis le succès du satellite chinois Micius lancé en 2017 et qui a démontré un canal quantique de télécommunication entre la Terre et l’orbite basse [2]. Ce type de lien repose sur la distribution de paires de photons intriqués, chacun des deux photons étant envoyé vers un destinataire différent. Une technique pour créer des paires de photons intriqués consiste à utiliser un mélange à quatre ondes (non-linéarité d’ordre 3) dans un matériau ou un dispositif. Dans un résonateur optique, cet effet est largement amplifié par l’augmentation de puissance intra-cavité à la résonance [3].

Le LAAS est impliqué depuis plusieurs années dans la réalisation de résonateurs à fibre optique avec un facteur de qualité élevé (107 à 109) pour des applications à la génération de signaux optiques ou hyperfréquences de haute pureté spectrale. Le but du projet est d'optimiser ces résonateurs pour une toute autre application : la génération de paires de photons ou de peignes de fréquence quantiques (des états non-classiques du champ portés par des modes de fréquences régulièrement espacés) [4]. L'approche expérimentale utilisera un laser pulsé et des systèmes de filtrage, puis un comptage de photons avec des SPAD (Single Photon Avalanche Detector). Les paires de photons seront isolées par filtrage spectral et détectées par des mesures de coïncidences temporelles. Nous vérifierons le seuil de puissance de pompe pour la génération de paires de photons, que nous comparerons à la théorie.

La possibilité de générer des peignes de fréquence quantiques avec cette approche sera naturellement la deuxième étape de ce travail, qui devra faire l’objet d’une étude théorique et expérimentale. Au niveau théorique, nous étudierons l’influence des différents paramètres du résonateur et de la pompe pour pouvoir connaître l’état quantique du peigne de fréquence ainsi généré. Cette étude permettra ensuite de déterminer les protocoles de mesure à mettre en œuvre pour caractériser de façon optimale l’intrication des paires de photons générées. Pour la partie expérimentale, un détecteur de photons multicanal sera assemblé avec des dispositifs SPAD, des amplificateurs RF et une unité de traitement et de comptage des photons et de coïncidence.

Les travaux se poursuivront ensuite par la mise en place d’une liaison quantique à fibre optique utilisant a priori des qubits de type « time bin » (mais différentes options pourront être étudiées). Nous évaluerons l'intrication des qubits à l'aide d'un détecteur à deux entrées. Une approche similaire pourra être mise en place dans le cas des peignes quantiques. D’autres applications seront envisagées basées sur l’exploitation de l’intrication à haute dimensionnalité, que doit permettre l’approche micro-peignes quantiques [5].

Ce travail fait l’objet d’une collaboration entre un laboratoire de physique (LCAR) et un laboratoire de sciences pour l’ingénieur (LAAS). Il a reçu le soutien du CNES (Centre National d’Etudes Spatiales).

Profil : Optique fibrée, optique quantique, électronique

Encadrement : Olivier Llopis (LAAS) et Benoit Chalopin (LCAR)

Contact : llopis@laas.fr benoit.chalopin@irsamc.ups-tlse.fr

Références :

1) H. J. Kimble, “The Quantum Internet”, Nature 453.7198 (2008)

2) S.-K. Liao et al. “Satellite-to-ground quantum key distribution”, Nature, sept. 2017

3) N. Chen et al. “Pushing photon-pair generation rate in microresonators by Q factor manipulation”, Optics Letters, oct. 2023.

4) M. Kues et al. “Quantum optical micro-combs”, Nature Photonics, March 2019.

5) M. Erhard, M. Krenn, A. Zeilinger “Advances in high dimensional quantum entanglement”, Nature reviews, July 2020.