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Quantum photonics systems on chip and in fiber.

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Roztocki, Piotr (2022). Quantum photonics systems on chip and in fiber. Thèse. Québec, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 142 p.

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Résumé

Les systèmes photoniques quantiques ont un impact historique et contemporain par rapport à la recherche fondamentale et appliquée, et sont pertinents dans tous les secteurs des technolo gies quantiques, y compris l’informatique, les communications et la détection. Cependant, au tant dans les universités que dans l’industrie, le développement de tels systèmes est considérable ment impacté par un manque de composants standardisés et accessibles commercialement. La chaîne d’approvisionnement de la photonique quantique gagnerait notamment à être renforcée par le développement de dispositifs produits en série, avec un faible encombrement, peu coûteux, com patibles avec des infrastructures matures telles que les plates-formes à fibre optique et à puce, et utilisant des degrés de liberté établis comme le temps et la fréquence. À ce jour, ceux-ci sont in disponibles, ce qui signifie que la majorité des recherches menées utilisent des sources spécialement conçues en laboratoire, ou des modules de traitement du signal et de caractérisation qui souvent ne peuvent pas être utilisés à l’extérieur des laboratoires dans des systèmes déployés. L’objectif de cette thèse est de combler ce manque et de cibler le développement de disposi tifs et de techniques pour des systèmes photoniques quantiques évolutifs. En particulier, nous nous appuieront notamment sur des infrastructures de télécommunications et photonique intégrée, et viseront des systèmes compatibles avec la fibre optique. Les objectifs de la thèse couvrent le développement d’un ensemble de modules qui composent les systèmes quantiques standards et ciblent spécifiquement les architectures de sources quantiques à faible encombrement, les techniques de traitement de signaux quantiques à faible perte ainsi que les techniques de caractérisation de signaux quantiques compatibles avec la fibre optique. Une variété d’approches photoniques sont utilisées pour atteindre ces objectifs ayant comme cibles: i) une source compacte de paires de photons qui n’a pas besoin d’un laser externe comme pompe; ii) une suite d’outils pour la récupération de la phase interférométrique, avec des stratégies spécifiques introduites pour ne pas diminuer les rapports signal/bruit quantiques; iii) un schéma pour le contrôle polyvalent et cohérent d’états quantiques qui sont simultanément intriqués dans le temps et la fréquence; iv) une technique de caractérisation de signal quantique commandée par radiofréquence; et v) une approche pour mesurer les spectres optiques à quelques photons. Ces approches ont particulièrement réussi à tirer parti de l’infrastructure de télécommunica tions et de photonique intégrée, confirmant que ces composants peuvent être utilisés facilement et fréquemment, avec une personnalisation minimale, vers des applications photoniques quantiques avancées.

Abstract

Quantum photonics systems hold historical and contemporary relevance towards cutting-edge foun dations and applied research, and are relevant to all quantum technology sectors including comput ing, communications, and sensing. However, in both academia and industry, the development of such systems is significantly, detrimentally impacted by a commercial lack of accessible and stan dardized components. The quantum photonics supply chain would, in particular, be strengthened by the development of mass-producible, low-footprint, and inexpensive devices compatible with ma ture infrastructures, like optical fiber and chip-based platforms, and by making use of established degrees of freedom, like time and frequency. These are, to date, unavailable, meaning that the ma jority of research conducted makes use of home-built sources, signal processing, and characterization modules that oftentimes cannot transition outside laboratories into deployed systems. The objective of this thesis is to address this lack and to target the development of devices, setups, and techniques for scalable quantum photonics systems. In particular, these will leverage infrastructures from telecommunications and integrated photonics, and will target systems compat ible with optical fiber. The thesis objectives span the modules that comprise standard quantum systems, and specifically, target the development of: low-footprint quantum source architectures, low-loss quantum signal processing techniques, and fiber-compatible quantum signal characteriza tion techniques. A variety of photonics approaches is undertaken to accomplish these diverse objectives, with the main achievements being the realization of: i) a compact photon pair source that does not need an external laser as a pump; ii) a suite of tools for the recovery of interferometric phase, with specific strategies introduced to not decrease quantum signal-to-noise ratios; iii) a scheme for the versatile and coherent control of quantum states that are simultaneously entangled in time and frequency; iv) a radiofrequency-controlled quantum signal characterization technique; and v) an approach for measuring few-photon level optical spectra. The work was particularly successful in leveraging infrastructure from telecommunications and integrated photonics, confirming that such components can often be used easily, with minimal customization, towards advanced quantum photonics applications.

Type de document: Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Morandotti, Roberto
Mots-clés libres: photonique quantique; fibre photonique; optique intégrée; statistiques de photons; traitement du signal quantique; peignes de fréquence; interférométrie fibrée; génération de paires de photons; hyper-enchevêtrement; spectroscopie de photon unique; quantum photonics; fiber photonics; integrated optics; photon statistics; quantum sig nal processing; frequency combs; fiber interferometry; photon pair generation; hyper-entanglement; single-photon spectroscopy
Centre: Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt: 04 mars 2022 16:36
Dernière modification: 04 mars 2022 16:36
URI: https://espace.inrs.ca/id/eprint/12476

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