Intrication temporelle et communication quantique

Quantum communication is the art of transferring a quantum state from one place to another and the study of tasks that can be accomplished with it. This thesis is devoted to the development of tools and tasks for quantum communication in a real-world setting. These were implemented using an underground optical fibre link deployed in an urban environment. The technological and theoretical innovations presented here broaden the range of applications 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-locality and the design and the first implementation of a new loss-tolerant quantum coin-flipping protocol. Manipulating time-bin qubits A single photon is an excellent vehicle in which a qubit, the fundamental unit of quantum information, can be encoded. In particular, the time-bin encoding of photonic qubits is well suited for optical fibre transmission. Before this thesis, the applications of quantum communication based on the time-bin encoding were limited due to the lack of methods to implement arbitrary operations and measurements. We have removed this restriction by proposing the first methods to realize arbitrary deterministic operations on time-bin qubits as well as single qubit measurements in an arbitrary basis. We applied these propositions to the specific case of optical measurement-based quantum computing and showed how to implement the feedforward operations, which are essential to this model. This therefore opens new possibilities for creating an optical quantum computer, but also for other quantum communication tasks. Characterizing sources of photon pairs Experimental quantum communication requires the creation of single photons and entan-gled photons. These two ingredients can be obtained from a source of photon pairs based on non-linear spontaneous processes. Several tasks in quantum communication require a precise knowledge of the properties of the source being used. We developed and implemented a fast and simple method to characterize a source of photon pairs. This method is well suited for a realistic setting where experimental conditions, such as channel transmittance, may fluctuate, and for which the characterization of the source has to be done in real time.

Résumé

La communication quantique est l'art de transférer un état quantique d'un endroit à un autre et l'étude des tâches que cela permet d'accomplir. Cette thèse présente des avancées technologiques et théoriques appliquées à la communication quantique dans un contexte réaliste avec essais sur le terrain. Ceci a été réalisé à l'aide d'une transmission de l'information quantique par une fibre optique déployée dans un environnement urbain. Les innovations présentées élargissent le champ d'application de l'intrication temporelle à travers l'élaboration de nouvelles méthodes pour manipuler l'encodage temporel, d'un nouveau modèle de caractérisation d'une source de paires de photons, de nouvelles façons d'étudier la non-localité et de l'élaboration et la première réalisation d'un nouveau protocole de pile ou face quantique tolérant aux pertes. Manipulation de l'encodage temporel Le photon unique est un excellent véhicule avec lequel un qubit, l'unité fondamentale de l'information quantique, peut être encodé. En particulier, l'encodage temporel de qubits photoniques est bien adapté à la transmission par fibre optique. Avant les travaux de cette thèse, le champ d'application de cet encodage était limité par l'absence de méthodes réalisant opérations et mesures arbitraires. Nous avons éliminé cette restriction et proposé les premières méthodes permettant de réaliser une opération arbitraire et déterministe sur un qubit temporel ainsi qu'une mesure dans une base arbitraire. Nous avons appliqué ces propositions au cas spécifique du calcul quantique basé sur la mesure et sur l'optique linéaire et montré comment réaliser les opérations en aval essentielles à cette approche. Ceci ouvre la voie vers la création d'un ordinateur quantique basé sur l'optique, mais également à de nouvelles tâches en communication quantique. Caractérisation de sources de paires de photons La communication quantique expérimentale nécessite la création de photons uniques et de paires de photons intriqués. Ces deux ingrédients peuvent être obtenus à partir d'une source de paires de photons basée sur un processus non-linéaire spontané. Plusieurs tâches en communication quantique nécessitent une connaissance précise des propriétés de la source utilisée. Nous avons développé et démontré expérimentalement une nouvelle méthode simple et rapide permettant de caractériser une source de paires de photons. Cette méthode est particulièrement bien adaptée à un contexte de transmission sur le terrain où les conditions expérimentales, telles que la transmittance d'un canal, peuvent fluctuer, et où la caractérisation de la source doit être faite en temps réel.