Integrated Optics for Quantum Communication

Optique Intégrée pour les Communications Quantiques

Sébastien Tanzilli (1)

1 LPMC - Laboratoire de physique de la matière condensée

This work reports the realization of energy-time and time-bin entangled photon-pair sources based on a periodically poled lithium niobate (PPLN) waveguide. Degenerate twin photons around 1314 nm wavelength are created by spontaneous parametric down-conversion and coupled into standard telecom fibers.
The PPLN waveguide produces a conversion efficiency of more than 10-6, roughly 4 orders of magnitude more than that obtained employing bulk crystals. Even if using low power laser diodes, this engenders a significant probability for creating two pairs at a time which is an important advantage for some quantum communication protocols. We point out two simple means to characterize the pair creation probability per pump photon (CW) and for the case of a pulsed pump.
To investigate the quality of the entangled states, we perform photon-pair interference experiments, leading to visibilities of 97 % for the case of energy-time entanglement and of 84 % for the case of time-bin entanglement. Although the last figure must still be improved, these results demonstrate the potential of PPLN waveguide based sources for future quantum communication schemes.

Ce mémoire présente l'étude et la réalisation expérimentale de deux sources de paires de photons, intriqués en énergie-temps et en « time-bins », basées sur un guide d'ondes intégré sur un substrat de niobate de lithium polarisé périodiquement (PPLN). Dans les deux cas, les photons jumeaux sont créés par génération paramétrique à la longueur d'onde dégénérée de 1310 nm autorisant leur transport par fibre optique télécom.
Le guide PPLN montre une efficacité de conversion supérieure à 10-6, correspondant à une amélioration de 4 ordres de grandeur par rapport aux générateurs massifs. Même pompé par de faibles puissances, il présente une probabilité significative de créer deux paires simultanément ce qui est un avantage essentiel pour certains protocoles de communication quantique. Nous proposons à cet effet deux méthodes de caractérisation de la probabilité de créer une paire par photon de pompe (régime continu) ou par impulsion laser.
Afin d'examiner la qualité des états enchevêtrés, deux expériences d'interférométrie ont montré des taux de contraste respectifs de 97 % et de 84 % pour les intrications en énergie-temps et en time-bins. Bien que ce dernier taux puisse être amélioré, ces résultats montrent le fort potentiel des guides PPLN pour devenir l'un des éléments clés des futurs protocoles de communication quantique.

Mots clés: Integrated Optics; PPLN waveguides; Quantum Optics; Energy-time and time-bin entanglement; Quantum interference.

Mots clés: Optique Intégrée; Guides PPLN; Optique Quantique; Intrication en énergie-temps et en time-bins; Interférences quantiques

Domaines: Physique Atomique [physics.atom-ph]

Sébastien Tanzilli. Optique Intégrée pour les Communications Quantiques. Physique Atomique [physics.atom-ph]. Université Nice Sophia Antipolis, 2002. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00008814⟩