Communications quantiques avec des états haut-dimensionnels en fréquence produits par dispositifs intégrés – QUANTIFY

Au cours des dernières années, nous avons assisté à l’avènement de ce que l’on nomme désormais la seconde révolution quantique : alors que précédemment nous observions essentiellement la nature quantique d’objets physiques et utilisions leurs propriétés à un niveau macroscopique, nous possédons désormais les capacités technologiques de manipuler ces objets individuellement et de les faire interagir de manière contrôlée pour des applications spécifiques. Le projet QUANTIFY s’inscrit dans ce contexte, et plus précisément dans le champ d’application de la communication quantique, tout en ne perdant pas de vue le potentiel dans les applications transverses de la technologie que nous développons, en particulier dans le cadre de la métrologie quantique.
Le point de départ du projet sont les sources AlGaAs développées au Laboratoire MPQ qui présentent plusieurs atouts : faible encombrement, fonctionnement à température ambiante, émission de photons intriqués dans la bande C des télécommunications, compatibilité avec l’injection électrique, forte non-linéarité du deuxième ordre et effet électro-optique. Grâce aux expertises complémentaires des membres du consortium, l’objectif de QUANTIFY est de capitaliser sur ces résultats, centrés sur les aspects composants, et de démontrer que cette plate-forme aux nombreux atouts peut maintenant conduire à des systèmes QKD de hautes performances.
Le travail est organisé en deux tâches principales :
Dans la première partie de notre projet nous travaillerons à l’amélioration des performances du protocole de distribution de clé (QKD, pour ‘quantum key distribution’) multi-utilisateurs basé sur l'intrication, en exploitant les particularités qui caractérisent l’état émis par les sources AlGaAs : large bande spectrale, anticorrélation en fréquence et intrication en polarisation. Ce travail est structuré en deux parties : l'implémentation d’un protocole de distribution de clés quantiques à plusieurs paires d’utilisateurs, puis l’implémentation d’un réseau de distribution de clés connectant chaque utilisateur à tous les autres grâce à un principe de graphe connecté.
Dans la deuxième partie de notre projet, nous souhaitons explorer la structure en peigne de fréquences émise par notre source. Nous visons à démontrer que la QKD à haute dimension peut être utilisée dans la pratique pour augmenter le débit d'information et la sécurité de ces systèmes, ce qui est utile pour un grand nombre d’applications.
Le projet tirera profit de la complémentarité et du savoir-faire reconnus des trois partenaires.
L’équipe du Laboratoire Matériaux et Phénomènes Quantiques contribuera avec son expertise en modélisation et design de dispositifs semiconducteurs, en fabrication et caractérisation de dispositifs optiques non-linéaires intégrés et en mesures d’optique quantique.
L’équipe du Laboratoire LIP6 contribuera avec son savoir-faire sur la conception et l’analyse des protocoles de cryptographie quantique dans un contexte système et réseaux télécom.
Nokia Bell Labs participera au projet à travers l’étude et la validation des technologies les plus pertinentes pour l’architecture d’un réseau de distribution de clés quantiques, la manipulation cohérente de l’état peigne quantique, et contribuera à la mise en place du réseau de test afin de valider les expériences de distribution de clés.
Le projet représente un objectif ambitieux et une avancée importante par rapport à l’état de l’art sous trois aspects : technologique, architecture systèmes, et protocoles de distribution quantique des clés. Les résultats de QUANTIFY auront un impact qui va bien au-delà des objectifs du projet et trouveront des applications immédiates dans le domaine de la communication, de l’information et de la métrologie quantiques. La compacité, la simplicité et la robustesse des systèmes développés dans ce projet permettront ainsi d’effectuer un pas supplémentaire vers une large diffusion des technologies quantiques dans les applications du monde réel.