Information Quantique avec la Lumière & la Matière (QILM)

Ma thématique de recherche est centrée autour de l'optique guidée et intégrée appliquée au domaine des communications quantiques.

Equipe de recherche

Je fais parti d'un groupe de recherche (QILM) dirigé par Sébastien Tanzilli (CR-CNRS). Les activités de notre groupe sont décrites à l'aide de ce lien.
Ma liste de publications mise à jour est répertoriée sous HAL à l'aide du lien suivant, et mon profil Google Scholar.

Projet ANR SITQOM (2015-2019) + Projet Université Côte d'Azur: Photonique Quantique intégrée sur Silicium

L’information quantique a établi un nouveau paradigme dans la communication et le traitement de l’information, grâce à des protocoles qui permettent une sécurité accrue dans l’échange des données et un traitement massivement parallèle des informations. Au delà des nombreuses démonstrations de principe, une nouvelle génération d’applications est désormais envisagée, via les simulateurs quantiques, les systèmes réalistes de cryptographie et les capteurs à sensibilité accrue. Dans cette perspective, où fiabilité et réduction d’échelle des dispositifs priment, les circuits optiques intégrés denses, multi-fonctionnels et reconfigurables, sont appelés à jouer un rôle majeur. SITQOM vise ainsi le déploiement progressif d’une nouvelle plateforme optique intégrée basée sur le silicium, dont les capacités permettront d’aller au-delà de l’état de l’art. Notre ambition réside dans l’intégration dense de fonctions optiques linéaires et non linéaires permettant, sur un même substrat, la génération, le routage, la manipulation et la détection d’états quantiques photoniques. Les multiples applications et systèmes qui en découlent naturellement n’ont jusqu’à présent pas été démontrés, e.g., i) la réalisation de démonstrateurs d’intrication annoncée, ii) la simulation d’opérateurs quantiques complexes à base de réseaux de guides couplés, et iii) le développement de protocoles de cryptographie quantique haut débit s’appuyant sur un codage en peigne de fréquences.
La filière photonique silicium est l’une des plus prometteuses pour exploiter l’intégration dense de fonctions. Notamment, des cavités en anneau permettent la production de photons intriqués grâce à l’exaltation des effets non linéaires d’ordre 3. A court terme, nous utiliserons ces cavités, associées à des réflecteurs de Bragg, pour constituer de sources autonomes de paires de photons incluant les éléments de filtrage (séparateurs de longueurs d’onde, réjection du faisceau pompe) sur puce. A moyen terme, nous développerons des commutateurs électro-optiques et des détecteurs de photons uniques intégrés, en vue de la génération d’états à deux photons annoncés basée sur le routage actif. Par ailleurs, grâce à son incomparable reproductibilité de fabrication, la photonique silicium permet l’intégration de réseaux de guides couplés. La modulation des constantes de couplage inter-guides, inscrite ou reconfigurable, permet le routage des photons à la façon d’un “bus quantique” opérant sur une puce compacte, flexible et multi-ports. Les réseaux photoniques ainsi constitués sont des supports de choix pour implémenter des processus quantiques complexes, tels que des portes logiques ou la simulation des propriétés de certains systèmes de matière condensée. Enfin, en réunissant, sur une même puce, une source de paires de photons et une étape de filtrage spectral adapté, nous visons le développement de nouveaux systèmes de cryptographie quantique à grande échelle. Une cavité en anneau intégrée pompée par un laser impulsionnel haute cadence permettra de générer des paires de photons intriqués sur des peignes de fréquences et de les distribuer dans des canaux standards des télécommunications. Ceci permettra d’établir des clés de cryptage à des débits record.
Le programme SITQOM représente une opportunité unique de rassembler les meilleurs experts français du traitement intégré de l’information (LPMC, IEF, LPN), de l’optique et de l’information quantiques, afin d’entrer dans la compétition mondiale autour de la photonique quantique sur silicium à un stade encore précoce. Ce consortium, compétitif et complémentaire, se consacrera à la fois au développement de nouveaux dispositifs de photonique silicium et à leur exploitation dans des applications avancées de l’information quantique. Les niveaux de compacité et d’intégration visés, que seule notre plateforme rend possibles, promettent des avancées significatives dans le domaine des technologies quantiques et de nouvelles perspectives en optique quantique.

Projet mission interdisciplinarité CNRS : Métrologie Quantique (2017-2018)

Le projet FINDER a pour ambition d’exploiter la supériorité de la métrologie quantique dans le but de développer un instrument de mesure relative d’indice de réfraction outrepassant les limites des méthodes classiques. Ce dispositif innovant exploitera notamment la tomographie cohérente en optique quantique appliquée à des composants à fibre. Cette association interdisciplinaire permettra, entre autres, de garantir une fiabilité et d’atteindre des précisions de mesure (10-5) sans précédent dans le domaine. La connaissance détaillée des paramètres physico-chimiques apportée par cet instrument ouvrira la voie à une nouvelle ère de composants et de systèmes pour la photonique.

Distribution d'intrication dans des canaux standards télécoms pour la cryptographie quantique haut débit (2013-2016)

En ce jour où la confidentialité des données transmises est un enjeu crucial de notre société, la cryptographie quantique (CQ) vient apporter des solutions dont la sécurité inconditionnelle repose sur les principes de la Physique Quantique, qui permet de révéler toute tentative d'espionnage. Si les concepts de la CQ sont aujourd'hui parfaitement maitrisés, les performances des protocoles sont limitées en terme de débit et de distance d'échange, principalement à cause de deux raisons. La CQ nécessite l'utilisation de signaux à très faible puissance, et d'autre part la copie du signal à transmettre est interdite, à l'instar des communications classiques. Cependant grâce aux propriétés exclusives qu'offrent la Physique Quantique, il est possible aujourd'hui de contourner ces contraintes expérimentales et d'envisager le déploiement pratique d'un réseau de communications quantiques. Parmi ces ressources, nous pouvons citer l'exemple de l'intrication de paires de photons ou encore la téléportation d'états quantiques. En parallèle de ces développements, l'industrie des télécoms a bénéficié d'une grande effervescence durant ces 20 dernières années, et jouit aujourd'hui d'une grande maturité en proposant des composants dont les caractéristiques sont ajustables à la demande et les performances extrêmement intéressantes.
Nous proposons une association prometteuse entre la CQ et le domaine des télécoms, en exploitant les corrélations spectrales de paires de photons intriqués en énergie-temps dans des paires de canaux télécoms, visant ainsi à multiplier le débit par le nombre de paires de canaux envisagés. La conjugaison innovante de ces 2 approches complémentaires a pour but l'échange de données dont la sécurité est absolue dans un réseau de communication télécom long de plus de 100km.
La solution proposée est déclinée, dans le cadre de ces travaux, à un protocole de CQ de type « Eckert 92 » dont l'observable est la phase. Notons que la solution développée dans ces travaux peut être transposée à bien d'autres protocoles et observables (polarisation, fréquence).
Voici un lien vers une vidéo où j'explique ce projet.

Projet ANR Emergence CONNEQT (2011-2013): Synchronisation par horloge distribuée en vue d’application à la cryptographie quantique du future sur longue distance

Les propriétés surprenantes de la physique quantique, telles que la superposition cohérente des états et surtout l'intrication, ont fait émergé un nouveau domaine d’application : la cryptographie quantique.
La distribution de l’intrication des distances utiles (supérieures à 200 km) reste pourtant un point délicat ralentissant l'essor de véritables réseaux de communication quantique.
Théoriquement, la téléportation (ou la permutation) d'intrication entre différentes sources indépendantes, situées à des nœuds stratégiques du réseau, permettrait d'augmenter les distances sur lesquelles l'intrication peut être partagée. Toutefois, ces sources ont besoin d'être synchronisées avec une précision telle qu'aucune solution acceptable basée sur l’optoélectronique n'ait été démontrée jusqu'à présent.
Le projet CONNEQT a pour ambition de démontrer l'échange d'intrication par téléportation quantique entre deux sources indépendantes sur une distance supérieure à 400 km ce qui représenterait un record absolu. En combinant une approche fondamentale et technologique, le projet s'articule autour d'une solution de synchronisation à très haute vitesse et d'une précision inégalée sur de grandes distances. L'ambition est d'établir un nouveau standard dans ce domaine de recherche en pleine expansion.
Le projet CONNEQT propose la démarche novatrice et audacieuse de contourner le problème de la synchronisation en s’appuyant sur le savoir-faire des télécommunications classiques en la matière, dont le transfert à l'information quantique est rendu possible grâce à la maturité de l'optique non-linéaire. Plus précisément, nous allons tirer parti d'un lien de synchronisation tout-optique fonctionnant à une longueur d'onde télécom pour distribuer efficacement une horloge (à 5 GHz) commune aux différents nœuds d'un réseau quantique basé sur une architecture de type relais quantique qui s'étendra sur plus de 400 km. Le concept sera validé en réalisant une expérience de cryptographie quantique sur 400 km. Au-delà du démonstrateur de principe, nous envisageons également de sortir notre système hors du laboratoire afin d'assurer une communication sécurisée entre deux centres de recherche dans la région de Nice.

Interférence quantique à deux photons télécoms issus de sources différentes (2010-2011)

A l’heure actuelle, la communication quantique représente une alternative prometteuse face à son pendant classique dont la sécurité pourrait être menacée par les ressources informatiques qui ne cessent de croître. A l’image de la communication classique, l’objectif de la communication quantique est de transférer l’information sur la plus grande distance possible tout en préservant la cohérence des états quantiques et en maintenant un rapport signal sur bruit le plus élevé possible. S’il est permis de s’appuyer sur le savoir-faire et la maturité des télécommunications optiques en terme de composants (démultiplexeurs, circulateurs, filtres de Bragg etc.), il n’est pas possible d’utiliser des répéteurs le long de la ligne de communication afin de regénérer l’information. En effet, le théorème de non-clonage interdit la réplication parfaite des états quantiques, encodés par exemple sur des photons. Cette contrainte est contournée grâce à la possibilité de réaliser des opérations quantiques (téléportation et permutation d’intrication) qui n’ont aucun équivalent classique. Au cœur de ces protocoles se trouve le principe de coalescence des photons identiques. Cet effet joue le rôle de brique de base dans les expériences mettant en jeu plusieurs photons, permettant ainsi d’augmenter substantiellement les distances séparant les partenaires des liens constitués. En effet, lorsqu’un photon unique arrive sur un des ports d’entrée d’un coupleur 50/50, il prend aléatoirement l’un des deux ports de sortie. Cependant, lorsque deux photons uniques et identiques arrivent simultanément sur les deux ports d’entrée d’un coupleur 50/50 (montage de type Hong-Ou-Mandel (HOM)), ils interfèrent et se “collent” littéralement l’un à l’autre pour toujours prendre ensemble le même bras de sortie. On observe une chute des coincidences entre les deux bras de sortie du coupleur. Si ces deux photons sont initialement intriqués chacun avec un autre photon, le résultat de cette colascence représente l’étape préliminaire à l’intrication des deux photons restant, bien que ceux-ci ne soient pas issus du même processus de génération. On parle alors de téléportation de l’intrication, jouant le rôle d’un véritable relais quantique, l’équivalent du répéteur utilisé en communication classique.
La coalescence a été couramment observé avec les photons issus d’une même source. Toutefois, la synchronisation de sources indépendantes relève d’une difficulté supplémentaire, surtout quand la nature des sources diffère et qu’elles sont séparées spatialement. Relever ce défi permettrait de faire un grand pas vers les réseaux de communication quantique universels au sein desquels l’origine des photons ne joue aucun rôle prépondérant.

Expérience professionnelle passée

J'ai occupé jusqu'à ce jour 4 expériences professionnelles :

• Ma thèse de doctorat constitue la 1 ère (2002-2005). Elle a été associée à un poste de monitorat.
  Mon travail de thèse concerne l'étude expérimentale de caractéristiques de propagation de fibres optiques spéciales (fibres micro-structurées). Au cours de ce travail, j'ai été amené à développer des dispositifs expérimentaux adaptés aux caractéristiques de ces fibres. Les résultats de ce travail ont pu être appliqués lors de la réalisation de source laser large spectre (super-continuum), mais aussi au transport d'informations recueillies par des télescopes et enfin à la mesure de température/pression d'un milieu.
• J'ai ensuite développé d'autres compétences en Optique lors de l'expérience professionnelle d'ATER (2005-2006) au cours de laquelle j'ai participé à la réalisation d'un laser fibré accordable en longueur d'onde. Une fibre co-dopée Erbium, Ytterbium et Néodyme permettait d'obtenir différentes longueurs d'ondes émission, qui étaient combinées dans un cristal non-linéaire.
• J'ai continué de travailler dans le domaine des lasers fibrés au début de mon poste d'Enseignant-Chercheur (2006-aujourd'hui). Dans un premier temps, je me suis occupé de développer des lasers entièrement fibrés passivement déclenchés par absorbant saturable. Dans un deuxième temps, j'ai acquis (et c'est actuellement ma thématiques de recherche) des compétences dans le domaine de l'Optique intégrée et non linéaire en travaillant dans les communications quantiques basées sur des composants telecom.
• J'ai effectué une mission longue durée (janvier 2010-septembre 2010) à Bristol (Royaume-Uni) dans le groupe de John Rarity dans le cadre d'une collaboration. L'objectif de cette mission était de mutualiser mes compétences dans le domaine des fibres optiques et des laser avec leur compétence d'Optique Intégrée dans le cadre d'une expérience d'interférence à deux photons issus de sources indépendantes. L'application de cette expérience est la communication quantique.