Conception des sources intégrées des photons intriqués

Problématiques

La photonique quantique offre une plateforme assez versatile pour une large variété de technologies, notamment les communications quantiques. En fait, les photons possèdent nombreux degrés de liberté tels que la polarisation et la fréquence qui peuvent être utilisés pour codifier et transmettre l’information entre deux ou plusieurs nœuds d’un réseau de communications. De plus, la génération et la transmission des photons sont compatibles avec les dispositifs semi-conducteurs et avec les infrastructures qu’on utilise pour les communications standard (e.g., la fibre optique). Un phénomène très important pour les communications quantiques est l’intrication quantique, qui rend possible la transmission de l’information entre les nœuds du réseau sans qu’elle ne doive se propager à travers un canal de communication. Malgré ces avantages, l’utilisation des photons intriqués pour les communications quantiques est entravé par des enjeux fondamentaux et technologiques, surtout liés aux pertes et au taux d’émission des paires de photons assez faible.

Objectif principal

Ce projet vise l’étude et le développement de sources intégrées de photons intriqués avec de faibles pertes optiques et un taux élevé de génération. C'est une première étape, mais cruciale, vers l’utilisation de photons intriqués pour les communications quantiques par fibre. Ce projet se basera sur une étude des propriétés des photons intriqués, ainsi que des dispositifs et des technologies qui permettent leur génération et manipulation sur puce et par fibre. Le projet est à l'interface entre les domaines de l'optique linéaire et non linéaire, de l'optique et de la photonique quantique, ainsi que du génie électrique, puisque les plateformes intégrées à développer nécessiteront des circuits et dispositifs électroniques pour leur mise en œuvre.

Objectifs, méthodologie et résultats attendus

Les sources de photons ciblées dans ce projet se basent sur des effets non linéaires du deuxième et troisième ordre tels que la conversion descendante spontanée et le mélange spontané à quatre ondes. Le projet comprendra une étude approfondie des paramètres tels que le facteur de qualité, la résonance, l’intervalle spectral libre, l'écart entre le bus et l'anneau, et le couplage évanescent, afin d'optimiser la génération de photons via des milieux non linéaires du troisième ordre (par exemple, des guides d'ondes à base de silicium et des micro-anneaux). Parallèlement, les propriétés optiques telles que la biréfringence et les axes ordinaires et extraordinaires des cristaux non linéaires du deuxième ordre seront étudiés comme sources de photons et/ou pour la conversion de fréquence.

Ce projet comprend deux axes principaux de recherche et développement. Le premier se focalise sur la technologie des dispositifs tandis que le deuxième sur la physique de l’intrication quantique. 

Le projet vise la fabrication d’une source de photon sur guide d’ondes. La source sera ensuite utilisée pour la génération de paires de photons, dont les propriétés quantiques seront vérifiées à travers des expériences visant à estimer des quantités telles que le rapport des comptes corrélés sur les comptes accidentels, les franges de visibilité et la fonction de corrélation. Cela demandera des connaissances et de la familiarité en optique linéaire et non linéaire (e.g., laser) et électronique (pour toute manipulation du signal). Par conséquent, des tests préliminaires d’optique classique non linéaire précèderont les expériences quantiques.

L’approche physique que nous utiliserons pour augmenter la résistance aux pertes et le taux d’émission se base sur l’intrication quantique entre plusieurs degrés de liberté des photons (hyper-intrication). Le plan est d’obtenir des photons hyper-intriqués en temps et en fréquence. Cela demande une étude de la physique de l’intrication, ainsi que les dispositifs nécessaires pour sa manipulation. Dans le cas présent, on ciblera des schémas basés sur l’interférométrie.

Le projet est bien ciblé pour deux étudiants ou étudiantes. Les étudiants et étudiantes participant au projet auront accès aux infrastructures de recherche en microélectronique, optique quantique et photonique de l'ÉTS. La professeure Sciara est membre de l’unité de recherche du LACIME, qui abrite des équipements et instruments scientifiques de pointe, tels que des lasers, des oscilloscopes, des générateurs de fonctions, des détecteurs de photons uniques et des analyseurs de spectre, pouvant servir occasionnellement à reproduire certaines simulations. De plus, les étudiants et étudiantes auront accès aux serveurs de calcul et aux services infonuagiques de Calcul Québec (membre de l'Alliance canadienne pour la recherche numérique), ainsi qu'à la formation en ligne offerte par cet organisme.

Ce projet peut être combiné avec des périodes de stage avec des entreprises qui ont un intérêt à utiliser des sources de photons intriqués pour les technologies quantiques.

Ce projet s'adresse particulièrement aux personnes à la maitrise avec mémoire ou au doctorat, mais il est possible également d’y intégrer une période de stage pendant le baccalauréat et/ou un PFE.