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Intrication temporelle et communication quantique

Félix Bussières

Ph.D. thesis (2009)

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Abstract

Quantum communication is the art of transferring a quantum state from one place toanother and the study of tasks that can be accomplished with it. This thesis is devotedto the development of tools and tasks for quantum communication in a real-world setting.These were implemented using an underground optical bre link deployed in an urban environment.The technological and theoretical innovations presented here broaden the range ofapplications of time-bin entanglement through new methods of manipulating time-bin qubits,a novel model for characterizing sources of photon pairs, new ways of testing non-localityand the design and the rst implementation of a new loss-tolerant quantum coin-ippingprotocol.Manipulating time-bin qubitsA single photon is an excellent vehicle in which a qubit, the fundamental unit of quantuminformation, can be encoded. In particular, the time-bin encoding of photonic qubits iswell suited for optical bre transmission. Before this thesis, the applications of quantumcommunication based on the time-bin encoding were limited due to the lack of methods toimplement arbitrary operations and measurements. We have removed this restriction byproposing the rst methods to realize arbitrary deterministic operations on time-bin qubitsas well as single qubit measurements in an arbitrary basis. We applied these propositionsto the specic case of optical measurement-based quantum computing and showed how toimplement the feedforward operations, which are essential to this model. This thereforeopens new possibilities for creating an optical quantum computer, but also for other quantumcommunication tasks.Characterizing sources of photon pairsExperimental quantum communication requires the creation of single photons and entangledphotons. These two ingredients can be obtained from a source of photon pairs based onnon-linear spontaneous processes. Several tasks in quantum communication require a preciseknowledge of the properties of the source being used. We developed and implemented a fastand simple method to characterize a source of photon pairs. This method is well suited for arealistic setting where experimental conditions, such as channel transmittance, may uctuate,and for which the characterization of the source has to be done in real time.Testing the non-locality of time-bin entanglementEntanglement is a resource needed for the realization of many important tasks in quantumcommunication. It also allows two physical systems to be correlated in a way that cannot

Résumé

La communication quantique est l'art de transférer un état quantique d'un endroit à unautre et l'étude des tâches que cela permet d'accomplir. Cette thèse présente des avancéestechnologiques et théoriques appliquées à la communication quantique dans un contexteréaliste avec essais sur le terrain. Ceci a été réalisé à l'aide d'une transmission de l'informationquantique par une fibre optique déployée dans un environnement urbain. Les innovationsprésentées élargissent le champ d'application de l'intrication temporelle à travers l'élaborationde nouvelles méthodes pour manipuler l'encodage temporel, d'un nouveau modèle de caractérisation d'une source de paires de photons, de nouvelles facons d'étudier la non-localitéet de l'élaboration et la première réalisation d'un nouveau protocole de pile ou face quantiquetolérant aux pertes.Manipulation de l'encodage temporelLe photon unique est un excellent véehicule avec lequel un qubit, l'unité fondamentalede l'information quantique, peut être encodée. En particulier, l'encodage temporel de qubitsphotoniques est bien adapté à la transmission par fibre optique. Avant les travaux de cettethèse, le champ d'application de cet encodage était limité par l'absence de méthodes réalisantopérations et mesures arbitraires. Nous avons éliminé cette restriction et propose les premièresméthodes permettant de réaliser une opération arbitraire et deterministe sur un qubit temporelainsi qu'une mesure dans une base arbitraire. Nous avons appliqué ces propositions aucas spécifique du calcul quantique basé sur la mesure et sur l'optique linéaire et montré commentréaliser les opérations en aval essentielles à cette approche. Ceci ouvre la voie vers lacréation d'un ordinateur quantique basé sur l'optique, mais également à de nouvelles tâchesen communication quantique.Caractérisation de sources de paires de photonsLa communication quantique expérimentale nécessite la création de photons uniques etde paires de photons intriqués. Ces deux ingrédients peuvent être obtenus à partir d'unesource de paires de photons basée sur un processus non-linéaire spontané. Plusieurs tâchesen communication quantique nécessitent une connaissance précise des propriétés de la sourceutilisée. Nous avons développé et démontré expérimentalement une nouvelle méthode simpleet rapide permettant de caractériser une source de paires de photons. Cette méthode estparticulièrement bien adaptée à un contexte de transmission sur le terrain où les conditionsexpérimentales, telles que la transmittance d'un canal, peuvent uctuer, et où la caractérisation de la source doit être faite en temps réel.
Department: Department of Engineering Physics
Program: Génie physique
Academic/Research Directors: Nicolas Godbout, Suzanne Lacroix, Gilles Brassard, Wolfgang Tittel
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/215/
Institution: École Polytechnique de Montréal
Date Deposited: 23 Mar 2010 14:23
Last Modified: 11 Nov 2022 11:12
Cite in APA 7: Bussières, F. (2009). Intrication temporelle et communication quantique [Ph.D. thesis, École Polytechnique de Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/215/

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