Génération d’états comprimés par amplification paramétrique

Génération d’états comprimés par amplification paramétrique

Dans le domaine très actif du traitement de l’information quantique avec des variables con- tinues [3], la génération et la détection d’états spécifiquement quantiques est un sujet d’un intérêt considérable. Les états comprimés ou intriqués peuvent être directement utilisés comme une ressource quantique pour des protocoles de cryptographie (voir les références citées dans [70]). Ils servent ainsi à améliorer la robustesse des protocoles par rapport à l’utilisation d’états cohérents, ou à atteindre des portées de transfert plus longues (distillation de l’intrication et répéteurs quantiques [160]). Par ailleurs, la combinaison de deux vides comprimés sur une lame semi-réfléchissante génère un état bi-mode maximalement intriqué, nécessaire pour effectuer cer- taines tâches de l’information quantique comme la téléportation quantique [146] ou le codage dense [162]. Enfin, la compression des fluctuations quantiques apparaît comme une ressource essentielle pour effectuer des opérations de calcul quantique avec des variables continues [161].Depuis la première expérience de génération d’états comprimés par Slusher et ses collabora- teurs en 1985 [105], de nombreux phénomènes physiques ont été exploités pour réduire certaines fluctuations quantiques sous le niveau du bruit de photon : mélange à quatre ondes, amplificationet oscillation paramétrique, génération de second harmonique, effet Kerr, stabilisation de courant des diodes laser. . . (Voir les références [16, 15, 14] pour une vue d’ensemble des expériences de génération d’états comprimés). Parmi ces différentes possibilités, l’amplification paramétrique d’impulsions ultrabrèves lors d’un simple passage dans un cristal non-linéaire apparaît comme un dispositif simple et efficace, grâce à l’association de cristaux de coefficients non-linéaires élevés avec les fortes puissances crêtes et les possibilités de mise en forme des impulsions ultrabrèves [106, 107, 108, 109, 110, 26]. Avec cette technique, la forte compression obtenue est de 5.8 dB sous le bruit quantique standard en utilisant un oscillateur local correctement adapté [108].

Comme nous l’avons vu à la section 2.4.3, un amplificateur paramétrique dégénéré monomode permet une amplification sélective en quadratures sans bruit ajouté. Les quadratures de l’état en sortie de l’amplificateur s’expriment en fonction des quadratures d’entrée selon [13] :pour produire des états comprimés [111] : des impulsions de 150 fs sont amplifiées paramétrique- ment lors d’un simple passage au travers d’un cristal mince (100 µm) de niobate de potassium (KNbOde très faibles épaisseurs (100 µm) pour réaliser des conversions non-linéaires du second ordre d’impulsions ultrabrèves : génération de second harmonique et amplification paramétrique. Ces cristaux très minces permettent une large plage d’accord de phase et évitent les conditions de forte dispersion de vitesse de groupe, qui limitaient l’utilisation de cristaux épais de KNbOUn deuxième aspect essentiel de notre expérience est que tout le traitement est effectué dans le domaine temporel, et non dans le domaine fréquentiel, comme c’est généralement le cas même pour des expériences de génération d’états comprimés impulsionnels [106]. Pour chaque impulsion incidente, notre détection homodyne résolue en temps échantillonne la composante de quadra- ture en phase avec l’oscillateur local. Nos mesures permettent donc d’accéder directement à la distribution statistique des quadratures étudiées. Ceci permet alors une analyse claire et simple des transferts d’information impliqués dans des protocoles de communication quantique [73, 70]. Des systèmes de détection similaires avaient déjà été réalisés avec des impulsions picosecondes [26, 35], mais notre dispositif est le premier opérant dans le domaine femtoseconde.

Ce chapitre détaille les différents aspects expérimentaux de notre dispositif de génération impulsionnelle d’états comprimés, présenté à la figure 7.1. Nous décrivons ainsi successivement la source d’impulsions femtosecondes, les effets non-linéaires dans le cadre de l’optique classique (génération de second harmonique et amplification paramétrique dégénérée), puis la mesure homodyne d’un état vide comprimé.De la sorte, nos critères rejoignent certaines expériences de spectroscopie ultrarapide, comme les expériences pompe-sonde ou d’écho de photon, dans le besoin d’une source d’impulsions de fortes énergies et de cadence intermédiaire (de l’ordre du MHz). Nos expériences ne peu-Le quatrième point (qualité spectrale et temporelle des modes) fixe de plus une borne in- férieure à la durée des impulsions que nous pouvons envisager utiliser : pour les impulsions de durée inférieure à 100 fs, il n’est pas possible en première approximation de négliger l’étalement temporel et le glissement de fréquence (chirp) qui apparaissent lors de la traversée d’un milieu dispersif, même pour des épaisseurs de quelques millimètres comme le montre la figure 7.2. La durée de 150 fs apparaît alors comme un compromis acceptable pour une largeur temporelle suff- isamment faible permettant d’obtenir une puissance crête intense tout en demeurant relativement robuste à la dispersion lors de la traversée d’un milieu matériel.