| Summary: | La physique quantique fut introduite au début du 20e siècle. Elle
apporte une nouvelle description du monde qui nous entoure et en
particulier de ce qu'on appelle le monde de l'infiniment
petit. Cette nouvelle théorie permet une description adéquate
notamment de l'effet photoélectrique, des niveaux énergétiques des
atomes, des réactions nucléaires, ... Elle apporte également une
réponse à de nombreuses problématiques telles que la catastrophe
ultraviolette. Néanmoins aussi séduisante que soit cette théorie,
les prédictions pour le moins contre-intuitives qu'elle apporte,
amène rapidement la controverse. Par exemple, en 1935, A.
Einstein, B. Podolski et N. Rosen en arrivent à mettre en doute la
physique quantique à cause d'une particularité que l'on y
rencontre, à savoir l'enchevêtrement. Il s'en
suit le célèbre débat avec N. Bohr et l'école de Copenhagen. Parmi
les autres aspects propres au monde quantique on peut encore citer
la superposition des états, le postulat de la mesure, le principe
d'incertitude d'Heisenberg, la dualité onde-corpuscule, le
théorème de non clonage, ... Toutes ces spécificités font de la
physique quantique un monde passionnant dans lequel, à l'instar du
pays des merveilles d'Alice, l'intuition est souvent dépassée.
Cette thèse est le fruit de quatre années de travail au cours
desquelles nous avons tenté d'observer et d'étudier certains des
effets intrigants que nous propose la physique quantique. Plus
précisément nous avons utilisé des états particuliers de la
lumière afin d'explorer une partie de ce qu'on appelle
l'optique quantique.
Dans un premier temps nous nous sommes intéressés aux possibilités
offertes par l'utilisation d'états cohérents de la lumière. En
utilisant ces états particuliers nous nous sommes penchés sur
l'étude ainsi que sur la réalisation expérimentale d'une tâche qui
se révèle impossible classiquement sans hypothèse computationelle.
Cette tâche consiste à réaliser un pile ou face entre deux joueurs
éloignés l'un de l'autre, par exemple deux joueurs communiquant
par téléphone. En effet, classiquement, un des deux joueurs pourra
toujours tricher de manière à avoir 100% de chance de gagner le
pile ou face.
Au contraire, si on utilise les ressources offertes par la
communication quantique, il est possible de construire des
protocoles ne permettant plus à aucun des deux joueurs de tricher
parfaitement et ce, sans aucune hypothèse supplémentaire. Même si
aucun protocole quantique ne peut empêcher totalement toute
tricherie, leur démonstration constitue une preuve de principe
quant aux possibilités offertes par la physique quantique dans la
réalisation de tâches classiquement impossibles.
Lors de notre étude du problème, nous avons développé un protocole
de pile ou face quantique et étudié ses performances. Nous avons
montré que les tentatives de tricherie des deux joueurs avaient
une probabilité de succès limitée à 99,7%<100% (biais inférieur
à 0,497). L'originalité de cette étude se situe dans le fait que
les imperfections expérimentales (efficacité des détecteurs,
pertes de transmission, visibilité réduite, ...) furent prises en
compte, ce qui à notre connaissance n'avait jamais été réalisé. En
outre nous avons réalisé une implémentation en optique fibrée de
notre protocole et démontré la réalisation d'un pile ou face
unique au cours duquel aucun des deux joueurs ne pouvait
influencer parfaitement le résultat, ce qui à notre connaissance
n'avait également jamais été démontré. L'emploi d'états cohérents
de la lumière fortement atténués nous a donc permis de concevoir
un protocole de pile ou face quantique et de réaliser une
démonstration expérimentale en optique fibrée, d'une tâche
impossible à réaliser classiquement.
Après avoir travaillé avec des états cohérents fortement atténués,
nous nous sommes intéressés à un autre état quantique de la
lumière, à savoir les paires de photons. Ces états constituent non
seulement une ressource essentielle pour sonder les effets
quantiques de la lumière mais également une ressource
incontournable pour l'information et la communication quantique.
Nous nous sommes donc attelés à la réalisation d'une source
produisant ces paires de photons.
Les premières sources de paires
de photons furent basées sur l'utilisation de cristaux dans
lesquels il existe une interaction non linéaire entre la lumière
et le matériau du cristal. Malheureusement le désavantage majeur
de ces sources est la difficulté à collecter les paires de photons
générées. Nous avons donc étudié la possibilité de générer des
paires de photons directement dans une fibre optique, la
collection des paires y étant réalisée de facto.
La première solution que nous avons envisagée consiste à utiliser
la non-linéarité du troisième ordre de la silice composant les
fibres optiques. Plus précisément le phénomène utilisé est appelé
l'instabilité de modulation. Ce phénomène permet de détruire deux
photons de pompe afin de générer une paire de photons vérifiant
les conservations de l'énergie et de l'impulsion. En outre nous
avons choisi d'utiliser une fibre optique microstructurée. Ces
fibres permettent en effet un plus grand confinement de la lumière
que les fibres standards. Il en résulte une interaction non
linéaire plus importante, permettant ainsi de générer des paires
de photons de manière plus efficace. La fibre utilisée est en
outre biréfringente, ce qui permet d'avoir accès à deux types
particuliers d'instabilité de modulation: l'instabilité scalaire
et l'instabilité vectorielle.
Dans un premier temps, nous avons observé le processus
d'instabilité de modulation dans un régime classique. Les
paramètres particuliers de notre fibre microstructurée - forte
dispersion anormale et biréfringence modérée
- nous ont permis d'observer un régime
d'instabilité dans lequel l'instabilité de modulation vectorielle
se produit à des fréquences proches de la fréquence de pompe
($Omegasim 1$THz). Il en résulte que les bandes de gain liées à
l'instabilité de modulation vectorielle sont très proches des
bandes de gain liées à l'instabilité de modulation scalaire. Nous
avons observé que dans ce régime particulier, les densités
d'énergie générées par instabilité de modulation vectorielle sont
supérieures à celles générées par instabilité de modulation
scalaire. A notre connaissance, il s'agit de la première
observation expérimentale permettant de mettre en évidence un gain
vectoriel supérieur au gain scalaire.
La génération de paires de photons grâce à ce processus nécessite
de diminuer la puissance de pompe envoyée dans la fibre.
Malheureusement nous avons mesuré que dans ce régime de faible
puissance (régime quantique), la qualité des paires de photons
générées était fortement dégradée par la présence de photons
parasites générés par diffusion Raman spontanée. Nous avons estimé
que lorsque la puissance de pompe est abaissée suffisamment pour
générer en moyenne 0,1~photons dans la bande de gain d'instabilité
de modulation vectorielle ($sim$1543 nm), environ 75% des
photons détectés auront été générés par diffusion Raman spontanée.
Afin de mettre en oeuvre des expériences d'optique quantique
utilisant des paires de photons, des solutions doivent donc être
appliquées à notre source afin de réduire le nombre de photons
générés par diffusion Raman spontanée. Parmi ces solutions nous
pouvons citer la discrimination en polarisation des photons
générés ainsi que le refroidissement de la fibre grâce à de
l'azote liquide. Ces solutions permettraient de réduire le nombre
de photons Raman anti-Stokes d'un facteur 18 et le nombre de
photons Raman Stokes d'un facteur 4. Malheureusement la tenue de
la fibre microstructurée à de très basses températures reste
incertaine et l'implémentation de ces solutions rendrait la source
difficilement utilisable.
Notre première tentative pour générer des paires de photons dans
une fibre optique nous a montré que les paires de photons générées
grâce à un processus d'interaction non linéaire du troisième ordre
étaient polluées par des photons générés par diffusion Raman
spontanée. Une source de paires de photons efficace ne pouvait
donc pas être obtenue sans l'aide de solutions technologiques
assez lourdes à mettre en oeuvre.
Nous avons donc investigué une deuxième solution afin de réaliser
une source produisant des paires de photons dans une fibre
optique. Puisque les non-linéarités du troisième ordre semblent
être peu adaptées pour la génération de paires de photons, nous
sommes revenus à une non-linéarité du second ordre. Dans ces
processus c'est un photon de pompe qui est détruit afin de générer
une paire de photons, tout en respectant les conservations de
l'énergie et de l'impulsion. Malheureusement les fibres optiques
ne permettent pas l'apparition de non-linéarités du second ordre
et ce, à cause de la centrosymétrie macroscopique du verre de
silice qui compose ces fibres.
Afin d'induire une non-linéarité du second ordre dans une fibre
optique nous avons travaillé en collaboration avec l'équipe du
Prof. P. G. Kazansky de l'université de Southampton. En utilisant
les techniques de poling thermique et d'effacement par
illumination UV, ils réalisèrent une fibre optique twin-hole
périodiquement polée dans laquelle les non-linéarités du second
ordre furent possibles.
Grâce à cette fibre nous avons réalisé une source de paires de
photons combinant les avantages des effets non linéaires du second
ordre, i.e. la puissance de pompe nécessaire est moindre
que dans le cas d'une non-linéarité du troisième ordre, la
diffusion Raman spontanée n'influence aucunement les paires de
photons générées, et les avantages de la fibre optique,
i.e. la collection des paires de photons y est réalisée
de facto, le mode spatial transverse des paires de photons
est bien défini. La mesure du pic de coïncidences de notre source
fournit un rapport entre le sommet du pic et le niveau des
coïncidences accidentelles de 7,5. Une efficacité conversion
$P_s/P_p=1,2,10^{-11}$ fut obtenue en utilisant 43~mW de
puissance de pompe. En outre les paires de photons générées
possèdent une longueur d'onde de 1556~nm se trouvant ainsi dans la
bande C des télécommunications optiques (1530-1565~nm). Elles sont
donc bien adaptées à une éventuelle application en communication
quantique, dans les réseaux de fibres optiques actuellement
utilisés pour les télécommunications optiques. Enfin nous avons
utilisé ces paires de photons afin de réaliser l'expérience de
Hong-Ou-Mandel permettant de mettre en évidence un effet propre à
la physique quantique, à savoir le photon bunching. Une visibilité
nette de 40% fut obtenue pour le Mandel dip dans une
configuration où la visibilité maximale vaut 50%. En outre cette
expérience nous a permis de développer une expertise dans la
réalisation d'interféromètres fibrés, stabilisés et contrôlés en
température.
La source de paires de photons que nous avons réalisée constitue
une démonstration de principe quant à la faisabilité d'une telle
source. A l'époque de ce travail, la fibre dont nous disposions
était l'une des premières fibres twin-hole périodiquement polées.
Aujourd'hui de nombreux paramètres de la fibre ont été améliorés
et permettent la réalisation d'une source de paires de photons
tout à fait compétitive avec les autres sources existantes. Ainsi
l'équipe du Prof. Kazansky est capable de réaliser des fibres
périodiquement polées de 20 cm de long possédant une efficacité de
conversion normalisée de seconde harmonique de
$eta_{SH}=8;10^{-2}$\%/W. Si l'on suppose toujours une puissance
de pompe de 43 mW, cela mène à une efficacité de conversion de
$1,0;10^{-9}$ pour le processus de fluorescence paramétrique,
soit une amélioration de deux ordres de grandeurs par rapport à
notre démonstration. La réalisation d'une source de paires de
photons dans une fibre optique périodiquement polée qui serait non
seulement utilisable dans des expériences de physique fondamentale
mais également dans des applications en communication quantique,
est donc tout à fait envisageable dans un futur proche.
Pour résumer, nous avons, au cours de cette thèse, réalisé, dans
un premier temps, la tâche classiquement impossible qui consiste à
jouer à pile ou face à distance. Ensuite dans l'optique de générer
des paires de photons, nous avons étudié le processus
d'instabilité de modulation dans une fibre microstructurée. Nous
avons ainsi observé un régime particulier dans lequel
l'instabilité de modulation vectorielle possède un gain supérieur
à celui de l'instabilité de modulation scalaire. Enfin toujours en
quête d'une source de paires de photons, nous avons réalisé une
source produisant des paires de photons par fluorescence
paramétrique dégénérée au sein d'une fibre optique twin-hole
périodiquement polée. Les trois principaux sujets abordés au cours
de cette thèse ont donc en commun l'utilisation de l'optique
fibrée pour la manipulation ou la génération d'états quantiques de
la lumière. Il en a résulté l'obtention de trois résultats
originaux qui nous ont ainsi permis d'explorer une partie du monde
intrigant et fascinant de l'optique quantique.
/
Quantum physics was introduced early in the 20th century. It
brings a whole new description of our world, mostly at the
microscopic level. Since then, this new theory has allowed one to
explain and describe lots of physical features like the
photoelectric effect, the energy levels of atoms, nuclear
reactions, ... It also brought an answer to lots of remaining
unanswered questions like the so-called ultraviolet catastrophe.
Though, as attractive as this new theory was at that time, some of
its counter-intuitive predictions quickly gave rise to
controversy. For instance, in 1935, due to one quantum physics
feature called entanglement, A. Einstein, B. Podolski and N. Rosen
asked the question: "Can quantum-mechanical description of
physical reality be considered complete?". This led to
the famous debate with N. Bohr and his Copenhagen interpretation.
Amongst other particular features of quantum physics one can cite:
the superposition principle, the wave function collapse, the
Heisenberg uncertainty principle, the wave-particle duality, the
no-cloning theorem, ... As in Alice in wonderland, all those
features actually make quantum physics a fascinating world where
intuition is most of the time useless.
In this thesis we tried to observe and study some of the
intriguing features of quantum physics. More precisely we tried to
use specific light states to explore part of what is called
quantum optics.
First we studied the use of coherent states of light to perform
tasks you can not perform using classical physics. For instance in
1984, Ch. Bennett and G. Brassard proposed the first quantum
cryptography protocol which has an absolute security
while classical protocol security still relies on some
computational assumptions (the assumption is that today
computers computational power is not sufficient to threaten the
security of classical protocols. Though this means that classical
protocols are not intrinsically secure). Since then quantum
physics has been proven useful to perform lots of classically
impossible tasks like bit commitment, quantum computation, random
number generation, ... In this work we were interested in the
problem of coin tossing by telephone introduced by M. Blum
in 1981. In this problem two untrustful and distant
players try to perform a coin flip. Classically one can show that,
if no computational assumptions are made, one of the players can
always force the outcome of the coin flip.
On the opposite if one uses quantum communication resources, a
protocol in which none of the players can cheat perfectly can be
built, i.e. none of the players have 100\% chance of
winning the protocol even by using the best possible cheating
strategy. Moreover this is possible without any other assumption
than the validity of the laws of physics. Though a quantum
protocol for coin tossing can not completely prevent from cheating, the demonstration of such a protocol would
be a proof of principle of the potential of quantum communication
to implement classically impossible tasks.
In our work, we have developed a quantum coin tossing protocol and
studied its performances. We have shown that the success cheating
probability of the players is bounded by 99,7%<100%, which is
better than what is achieved in any classical protocol. One of the
originalities of our work is that, for the first time to our
knowledge, experimental imperfections (detectors efficiency,
losses, limited interference visibility, ...) have been taken into
account in the theoretical analysis. Moreover, using coherent
states of light, we have demonstrated a fiber optic experimental
implementation of our protocol and performed a single coin flip
where none of the two players could perfectly influence the
outcome. This is to our knowledge the first experimental
demonstration of single quantum coin tossing.
After coherent states of light, we wanted to work with a more
complex quantum state: photon pairs. Not only those states are
useful for fundamental physics tests but they also are an
important resource for quantum communication. For those reasons
our first objective was to build a source that would generate
those photon pairs.
First photon pairs sources were based on bulk nonlinear crystals.
Unfortunately the main drawback of those sources is the low
collection efficiency of the generated photon pairs. That's why we
investigated the possibility of generating the photon pairs
directly in a waveguiding structure where they would be readily
collected.
The first solution that we envisaged was to use the natural third
order nonlinearity of silica fibers. More precisely the phenomenon
we wanted to used is called modulation instability. In this
process, two pump photons are destroyed and a photon pair is
created with energy and momentum conservations. Moreover we
decided to use this process in a photonic crystal fiber. The high
confinement of light in this kind of fiber allows a higher
nonlinearity and thus a more efficient generation of photon pairs.
Finally the fiber we used was birefringent which enables both
vectorial and scalar modulation instability to occur.
As a first experiment, we decided to observe modulation
instability in a classical regime where a lot of photons are
created. The specific parameters of our photonic crystal fiber -
high anomalous dispersion and moderate birefringence - allowed us
to observe a regime where the vectorial instability gain band has
a similar detuning from the pump as the scalar instability gain
band. In this regime we also observed an enhancement of the
vectorial gain above the scalar gain which has been confirmed
theoretically. To our knowledge this was the first experimental
observation of this particular regime of instability.
To generate photon pairs with this instability process we need to
lower down the pump power. Unfortunately we measured that, when
pump power was sufficiently lowered to generate ~0,1 photon
pairs per pump pulse sent in the fiber, about 75% of generated
photons were created by spontaneous Raman scattering and not
modulation instability. In order to build an efficient photon pair
source, some technological solutions have to be found to reduce
the number of photons generated by spontaneous Raman scattering.
Amongst those solutions, one can cite polarization discrimination
of the generated photons and cooling of the fiber with liquid
nitrogen. Using those solutions one could hope to reduce
anti-Stokes Raman photon and Stokes Raman photon by respectively a
factor 18 and 4. Unfortunately the main concern is how the
photonic crystal fiber will react to very low temperatures. So
even if technological solutions exist to build a photon pair
source based on modulation instability in photonic crystal fiber,
those seem to be really hard to implement. Moreover such a photon
pair source would be very inconvenient to use in any quantum
applications.
So our first attempt to build a fiber photon pair source showed
that photon pairs generated by a third order nonlinearity were
polluted by photons generated by spontaneous Raman scattering.
Such an efficient source couldn't be realized without heavy
technological solutions.
We have thus investigated another solution to generate photon
pairs in an optical fiber. As third order nonlinearities don't
seem to be suitable, we decided to go back to a second order
nonlinearity. In this process one photon from the pump is
destroyed to create a photon pair with energy and momentum
conservations. Unfortunately the macroscopic centro-symetry of
silica glass prevents those second order nonlinearities to occur
in optical fibers.
In order to enable second order nonlinearities in silica optical
fiber, we worked with the team of Prof. P. G. Kazansky from the
Optoelectronics Research Center of the university of Southampton.
By using thermal poling and UV erasure technics, they were able to
induce a second order nonlinearity in a twin-hole optical fiber.
Thanks to 8 cm of periodically poled twin-hole fiber, were able to
build a fiber photon pair source combining advantages of a second
order nonlinearity (less pump power needed than for a third order
nonlinearity, no influence of Raman photons) and of the fiber
waveguiding structure (photon pairs readily collected, transverse
spatial mode of the photon pairs well defined). A coincidence
measurement was performed resulting in a coincidence peak with a
7,5 ratio between the peak and the accidental coincidences level.
A conversion efficiency $P_s/P_p=1,2,10^{-11}$ was obtained using
43 mW of pump power. Moreover photon pairs were generated around
1556~nm in the optical communications C-band, which makes them
suitable for quantum communication applications using installed
fiber optic networks. Finally using the generated photon pairs we
performed the Hong-Ou-Mandel experiment highlighting the bosonic
nature of photons. We obtained a Mandel dip with a net visibility
of 40% in a configuration where the maximum visibility is 50%.
The photon pair source that we realized is a proof of principle of
the high potential of poled fibers in quantum applications. Indeed
today, Prof. P. G. Kazansky's team is able to make a 20 cm poled
fiber with a nonlinearity $eta_{SH}=8;10^{-2}$\%/W. If we still
suppose 43~mW of pump power, this leads to a $1,0;10^{-9}$
conversion efficiency for parametric fluorescence, improving our
result by two orders of magnitude. The realization of an efficient
photon pair source based on parametric fluorescence in
periodically poled twin-hole fiber suitable for quantum
applications is thus absolutely possible in a very near future.
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