On-chip generation of high-dimensional entangled states of light
Génération sur puce d'états photoniques intriqués à haute dimension
Résumé
Nonclassical states of light are key resources for quantum information technologies thanks to their easy transmission, robustness to decoherence and variety of degrees of freedom to encode information. In this context, this PhD thesis is dedicated to the development of novel semiconductor photon pair sources. Exploiting the high flexibility offered by spontaneous parametric down conversion (SPDC) in AlGaAs waveguides, we demonstrate the generation and the engineering of high-dimensional nonclassical states of light encoded in frequency. First, we employ a source based on a counter-propagating phase-matching scheme and demonstrate that tailoring the spatial profile (intensity and phase) of the pump beam enables the control of the photon pair spectral correlations and wavefunction symmetry directly at the generation stage, without any post-selection. In particular, tuning the pump beam waist allows to produce correlated, anti-correlated and separable frequency states, while modifying the spatial phase profile allows to switch between symmetric and antisymmetric spectral wavefunctions and to modify the exchange statistics of the photons, as evidenced measured via Hong-Ou-Mandel interferometry. We also investigate more complex quantum states: we demonstrate that this source, thanks to its geometry and to an anti-reflection coating, can also emit photon pairs entangled in a hybrid polarization/frequency degree of freedom. We then start the development of a novel device formed by a lattice of parallel co-propagating nonlinear waveguides, design to emit spatially entangled photon pairs via cascaded quantum walks. We report the optimization of its clean room fabrication processes and first optical characterizations of this novel device.
Les états non classiques de lumière sont des ressources clés pour les technologies de l'information quantique, grâce à leur facilité de transmission, leur robustesse à la décohérence et leur variété de degrés de liberté utilisables pour coder l'information. Dans ce contexte, cette thèse de doctorat est consacrée au développement de nouvelles sources semi-conductrices de paires de photons. En exploitant la grande flexibilité offerte par la conversion paramétrique spontanée (SPDC en anglais) dans les guides d'ondes AlGaAs, nous démontrons la génération et l'ingénierie d'états non classiques de lumière à haute dimension codés en fréquence. Tout d'abord, nous utilisons une source basée sur un accord de phase contra-propageant et démontrons que l'ingénierie du profil spatial (en intensité et phase) du faisceau de pompe permet de contrôler les corrélations spectrales et la symétrie de la fonction d'onde des paires de photons directement à la génération, sans aucune post-sélection. En particulier, la variation de la taille du faisceau de pompe permet de produire des états en fréquence corrélés, anti-corrélés et séparables en fréquence ; tandis que l'ingénierie du profil de phase spatial permet de passer d'une fonction d'onde spectrale symétrique à antisymétrique et ainsi de modifier la statistique d'échange des photons, comme démontré par interférométrie de Hong-Ou-Mandel. Nous avons aussi exploré des états quantiques encore plus complexes : en effet, nous démontrons que cette source, grâce à sa géométrie et à un traitement antireflet, peut émettre des paires de photons intriqués dans un degré de liberté hybride polarisation/fréquence. Nous développons ensuite un nouveau dispositif formé par un réseau de guides d'ondes non linéaires dessiné pour d'émettre des paires de photons intriqués dans des modes spatiaux grâce à l'effet des marches quantiques en cascade. Nous présentons l'optimisation des procédés de fabrication en salle blanche et des première caractérisation optiques de ce nouveau dispositif.
Origine : Version validée par le jury (STAR)