Tomographie d'état quantique de lasers à semi-conducteurs à pompage silencieux pour les communications optiques et l'amélioration des performances de détection

Les communications quantiques constituent le domaine le plus mature des technologies quantiques, exploitant les propriétés de la mécanique quantique pour sécuriser les clés échangées entre des parties distantes. Alors que le codage typique de l'information quantique a été réalisé à l'aide d'alphabets discrets tels que la polarisation de la lumière, le codage de l'information quantique dans des variables continues telles que les quadratures du champ électromagnétique [1] présente l'avantage de pouvoir être réalisé à l'aide d'équipements disponibles dans le commerce et facilement accessibles dans les laboratoires de communications optiques [2,3].

Le bruit de grenaille, qui se produit lors de la photodétection et limite les informations pouvant être transmises en toute sécurité, constitue un facteur limitant pour les communications quantiques à variables continues. Les états comprimés [4], qui peuvent réduire le bruit de la lumière transmise en dessous du bruit de grenaille, permettent le développement de nouveaux protocoles de communication quantique CV. Les états comprimés jouent également un rôle crucial dans d'autres domaines des technologies quantiques, tels que la détection quantique [5] et l'informatique quantique [6,7]. Si les états comprimés sont généralement générés par des processus optiques non linéaires dans des matériaux tels que le LiNbO3 ou le KTP[8], une alternative prometteuse consiste à utiliser une source de courant constant pour pomper électriquement un laser. En effet, comme l'a démontré notre groupe, ce pompage est compatible avec la compression d'amplitude [9,10].

Ce projet vise à réaliser la tomographie expérimentale des champs quantiques produits par des sources lumineuses à semi-conducteurs : lasers à points quantiques et à puits quantiques, ainsi que peignes de fréquences à semi-conducteurs. Les états comprimés seront ensuite utilisés pour améliorer les protocoles CV-QKD sur de longues distances (>100 km) avec des débits de clés secrètes supérieurs à 100 Mbit/s. Ce programme comble donc une lacune stratégique et se positionne à la pointe de la science. Le projet pourrait également conduire au développement de nouveaux capteurs quantiques exploitant la sensibilité expérimentale améliorée offerte par la lumière comprimée.

Enfin, le projet s'appuie sur l'expertise conjointe de deux équipes de recherche au sein du LTCI de Télécom Paris et du COPL de l'Université Laval. Le développement du projet est multiforme et comprend la modélisation théorique des phénomènes de compression, le traitement numérique du signal nécessaire à son estimation.