Dispositifs impulsionnels pour la communication quantique à variables continues
Abstract
This work aims at exploiting the quantum properties of light in order to develop new communication devices. Our study is devoted to the quadrature components (quantum continuous variables) of a single mode of the electromagnetic field in the pulsed regime. A quantum key distribution protocol using coherent states has been demonstrated. The experimental set-up is based on laser pulses containing one hundred photons on average, which are modulated in the phase space. For each incoming pulse, the time-resolved homodyne detection samples one value of a particular quadrature component. The experiment yields a net secret key rate of 1.7 Mbis/s for a loss-free line, and 75 kbits/s for a line with 3.1 dB losses. This opens the way for practical high-rate quantum cryptography devices. In order to study the use of quantum specificities such as squeezing and entanglement, we have developed a new source of pulsed squeezed states and entangled states. This source is based on the nonlinear conversions of ultrashort pulses occurring in a thin potassium niobate crystal. Depending on the set-up, the quadrature noise reduction is 2.7 dB below shot noise, while the correlation between the entangled beams is 2.5 dB. We also describe the first observation of a "degaussification" protocol, that maps individual pulses of squeezed vacuum onto non-Gaussian states. This protocol is closely related to an entanglement distillation procedure for continuous variables, which allows to extend the range of quantum key distribution schemes. Finally, we study some optical set-ups allowing for a loophole-free Bell test using continuous variables and efficient homodyne detections.
L'objectif central de cette thèse est d'exploiter les propriétés quantiques du champ électromagnétique pour développer de nouveaux dispositifs de communication. L'étude porte sur les composantes de quadrature (variables quantiques continues) d'un mode impulsionnel du champ lumineux. Une démonstration expérimentale de cryptographie quantique avec des états cohérents a été réalisée. Le dispositif se base sur des impulsions modulées en amplitude et en phase et comportant en moyenne une centaine de photons. Pour chaque impulsion lumineuse, une détection homodyne résolue en temps permet de mesurer une composante de quadrature particulière avec une forte efficacité. Une clé secrète a ainsi été transmise à un débit de 1.7 Mbits/s en l'absence de pertes et 75 kbits/s pour une transmission présentant des pertes de 3.1 dB, ce qui ouvre la voie pour des applications de cryptographie quantique à hauts débits. Afin d'étudier l'utilisation de spécificités quantiques, nous avons développé une source impulsionnelle d'états comprimés et d'états intriqués. Cette source utilise des conversions non-linéaires d'impulsions ultrabrèves intervenant dans un cristal mince de niobate de potassium. Suivant la configuration, la réduction du bruit en quadrature est de 2.7 dB sous le niveau de bruit quantique standard, ou les corrélations entre les quadratures des faisceaux intriqués sont de 2.5 dB. Grâce à ce dispositif, nous avons mis en oeuvre la première expérience de "dégaussification", pour transformer des impulsions de vide comprimé en des états non-gaussiens. Ce protocole est directement lié à la distillation de l'intrication de variables continues, qui permet d'améliorer la portée des dispositifs de cryptographie. Enfin, des schémas sont étudiés pour réaliser des tests complets des inégalités de Bell avec des variables continues mesurées par des détections homodynes.
Keywords
optique quantique
information quantique
communication quantique
cryptographie quantique
variables continues
détection homodyne
impulsions femtosecondes
amplification paramétrique
états comprimés
états non-gaussiens
intrication quantique
inégalités de Bell
quantum optics
quantum information
quantum communication
quantum cryptography
continuous variables
pulsed homodyne detection
femtosecond pulses
parametric amplification
squeezed states
non-Gaussian states
entanglement
Bell's inequalities
Domains
Atomic Physics [physics.atom-ph]
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