Intrication de Haute-Dimensionalité – HIDE

L'information quantique est un champ nouveau et en développement rapide depuis son apparition il y a une vingtaine d'années. Son objectif est l'exploitation des propriétés quantiques de certains systèmes physiques pour les communications et le calcul. La physique quantique ouvre des perspectives radicalement nouvelles dans le traitement et le transport de l'information, sans aucune analogie avec les technologies classiques de l'information. Les perspectives nouvelles sont, d'une part la possibilité de communications intrinsèquement sûres et d'autre part de puissances de calcul bien au-delà des performances accessibles aux architectures classiques. La principale propriété qui permet d'expliquer ces avantages est l'intrication quantique. Les démonstrations frappantes des protocoles de distribution de clés quantiques ou de téléportation quantique ont soulevé un fort intérêt, confirmant le potentiel de ces méthodes et l'impact très important que les phénomènes quantiques peuvent avoir sur les systèmes d'information. Ce projet porte sur cette thématique innovante et pluri-disciplinaire de l'information quantique, avec un accent particulier sur les propriétés fondamentales de l'intrication quantique et en particulier ses aspects multi-dimensionnels.

Plusieurs aspects seront étudiés au cours du projet, et en particulier la génération d'états "hyper-intriqués" dans deux types de matériaux non-linéaires, les cristaux diélectriques et les guides d'ondes semi-conducteurs. Les cristaux diélectriques ont démontré leur efficacité à générer des états intriqués en polarisation, en fréquence ou sur leurs variables spatiales. Ces états seront utilisés pour démontrer et explorer de nouvelles propriétés de l'intrication à haute-dimension. Alors que les dispositifs semi-conducteurs sont généralement utilisés pour leur fort potentiel de miniaturisation et d'intégration, dans le cadre de ce projet, nous nous focaliserons sur leur capacité à générer des états intriqués en polarisation ou en fréquence originaux. Un des objectifs du projet est la démonstration expérimentale de ces propriétés. Ces expériences seront menées en lien constant avec des études théoriques de détection de l'intrication comme de protocoles de communication, de calcul ou de métrologie quantiques basés sur ces états. Il est bien connu que l'intrication à haute dimension peut bénéficier aussi bien à des protocoles de communication que de calcul quantiques. Cependant, jusqu'à présent, ces concepts ont été exploités dans le régime dit des variables discrètes alors que le régime des variables continues présente certains avantages distincts. Dans ce cadre, nous étudierons des protocoles basés sur ces états originaux, présentant de l'intrication entre deux (polarisation), quelques (modes spatiaux) et/ou une base continue de degrés de libertés (fréquence notamment).
Tout au long du projet, un thème unificateur sera celui de la détection de l'intrication. Il est bien connu que celle-ci est définie comme la non-séparabilité des états quantiques. Pour identifier et quantifier l'intrication, le nombre de mesures et même de post-traitement classique croît très rapidement avec la taille du système. La détection de l'intrication pose donc des problèmes spécifiques en particulier pour les systèmes de haute dimension qui sont l'objet de notre étude.

Ce projet binational bénéficiera des collaborations déjà existantes entre les partenaires, collaborations mises en évidence par un projet CAPES COFECUB et cours, plusieurs articles publiés ainsi que des échanges d'étudiants et de chercheurs en séjour post-doctoral.

Une attention particulière sera portée à la diffusion des connaissances acquises, en particulier par l'intermédiaire de cours et d'ateliers scientifiques dans les deux pays.