Published October 24, 2022 | Version v1
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Generation and manipulation of photonic states for quantum communication

Description

The work presented in this thesis is mainly divided into two part. In a first experimental part, experimental realisations based on guided-wave and integrated optical solutions are implemented in the continuous-wave as well as the picosecond pulsed regimes at a telecom wavelength. The motivation behind this part is to develop experimental solutions and techniques enabling real field implementations of quantum communication protocols. The second part consists in theoretically investigating already existing as well as novel approach for high quality and high amplitude non-Gaussian quantum state generation with relatively reasonable resources. In the experimental part, three realizations are presented. The first one consists in the generation of Schrödinger cat-like state in continuous-wave regime at a telecom wavelength in a guided-wave approach based on off-the-shelf fiber components. A second realization consists in the design and the experimental characterization of an guided-wave SPDC-based source for the generation of high quality discrete and continuous-variable quantum states as well as hybrid entanglement. Finally, in the third experimental work we perform the first characterizations of low-losses and high quality factor silicon nitride micro-ring resonators for multimode entanglement generation in Kerr frequency comb. These experimental implementations are conducted with the goal of moving towards out-of-the-laboratory applications of quantum communication protocols. On the other hand, two main studies are conducted within the theoretical part. At first, we develop a theoretical framework to describe photon subtraction operation from a multimode quantum resource. Applying this framework to the case of Schrödinger cat-like state production, we show that high quality non-Gaussian states can be obtained with reasonable non-mode-selective solutions in the multimode regime. Then, we propose a novel protocol for the generation of high amplitude non-Gaussian state based on the multiplexing capabilities offered by the state-of-the-art photonic sources, drastically reducing the complexity and increasing the performances compared to previously proposed iterative protocols.

Abstract (French)

Le travail présenté dans cette thèse est principalement divisé en deux parties. Une première partie expérimentale dans laquelle des réalisations basées sur des solutions d'optique guidée et d'optique intégrée à une longueur d'onde télécom sont mises en oeuvre dans les régimes continu et pulsé. La motivation derrière cette partie est de développer des solutions et techniques expérimentales permettant des implémentations de protocoles de communication quantique sur le terrain. La deuxième partie consiste en l'étude théorique de la génération d'états quantiques non gaussiens de haute qualité et de haute amplitude avec des ressources relativement raisonnables. Dans la partie expérimentale, trois réalisations sont présentées. La première consiste à générer des états de type chat de Schrödinger en régime continu à une longueur d'onde télécom utilisant une approche d'optique guidée basée sur des composants fibrés disponibles sur le marché. Une deuxième réalisation consiste en la conception et la caractérisation expérimentale d'une source SPDC guidée pour la génération d'états quantiques discrets et continus de haute qualité ainsi que l'intrication hybride. Enfin, le troisième travail expérimental concerne les premières caractérisations des résonateurs de type micro-anneaux en nitrure de silicium à faible perte et à haut facteur de qualité pour la génération d'intrication multimode dans un peigne de fréquence. Ces implémentations expérimentales sont menées dans le but d'évoluer vers des applications de protocoles de communication quantique hors laboratoire. D'autre part, deux études théoriques sont menées dans la deuxième partie. Dans un premier temps, nous développons un cadre théorique pour décrire l'opération de soustraction de photons à partir d'un état quantique multimode. En appliquant ce cadre au cas de la production d'états de type chat de Schrödinger, nous montrons que des états non gaussiens de haute qualité peuvent être obtenus avec des solutions simples et non sélectives de mode dans le régime multimode. Ensuite, nous proposons un nouveau protocole pour la génération d'état non gaussien de haute amplitude basé sur les capacités de multiplexage offertes par les sources photoniques, réduisant considérablement la complexité et augmentant les performances par rapport aux protocoles itératifs déjà existants.

Additional details

Identifiers

URL
https://theses.hal.science/tel-04025939
URN
urn:oai:HAL:tel-04025939v1

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