États quantiques hybrides de la lumière – Hy-Light

L’objectif du projet est d’étudier systématiquement l’intrication hybride optique, dans la perspective de la valider expérimentalement et théoriquement comme une ressource nouvelle pour l’information quantique. Pour aboutir à un tel objectif, le projet réunit deux groupes expérimentaux, à l’Institut de Physique de Nice (inPhyni) et au Laboratoire Kastler Brossel LKB) qui possèdent des compétences complémentaires et un partenaire théorique au laboratoire Matériaux et Phénomènes Quantiques (MPQ), qui a une grande expérience de l’interaction avec des groupes expérimentaux. Le projet comporte une part exploratoire importante. Pour gérer les difficultés qui pourraient apparaître de ce fait, les partenaires exploreront méthodiquement des formes améliorées et originales d’intrication VD-VC en parallèle de l’étude de critères de non classicalité et d’intrication adaptés. Une fois ces bases posées, nous passerons à la conception et à l’implémentation expérimentale de protocoles avancés. Ce travail permettra non seulement d’améliorer la connaissance générale des systèmes hybrides mais devrait installer des bases solides pour des technologies originales exploitant les avantages des approches VD et VC.

Le partenaire de l'INPHYNI a identifié un protocole théorique qui permet la génération de états hybrides avec codage time-bin sur la partie DV, tout en considérant des ressources expérimentales réalistes. Le partenaire s'est également concentré sur la miniaturisation des briques fondamentales de l'expérience sur un seul circuit photonique. L'équipe du LKB s'est concentrée sur la préparation à distance et robuste aux pertes de qubits arbitraires à variables continues basées sur une intrication hybride. Un deuxième travail a porté sur la violation de l'inégalité de steering de type EPR en utilisant l’intrication hybride. Le MPQ s'est occupé de la conception d'un témoin d’intrication résistant aux pertes et permettant de caractériser l'état hybride canonique basé sur le codage à single-rail pour la partie DV.

De nature fortement exploratoire, nous attendons de ce projet des outils originaux de caractérisation, des implémentations robustes et des architectures nouvelles. Au-delà de son impact sur les bases de la physique quantique, l’intrication est un outil clé dans la plupart des protocoles d’information et de calcul quantiques. En ce sens, l’étude d’une nouvelle ressource dans ce champ de recherche aura un impact important tant sur des aspects fondamentaux en optique quantique que sur les applications en information quantique. En raison de sa double nature, l'intrication hybride nécessitera des outils avancés afin d'être caractérisée : il s'agira notamment de schémas originaux pour la conception de nouveaux types d'états hybrides intriqués, ainsi que des témoins d’intrication necessaires et de l'étude de protocoles quantiques exploitant l'intrication hybride comme ressource. Le succès des tâches proposées constituera une avancée décisive dans notre compréhension de l'approche hybride : en ce sens, le projet aura un impact important à la fois sur la recherche fondamentale en optique quantique et sur ses applications en information quantique. Ce but ouvre la voie à des applications à moyen et à long terme, dont l'impact sociétal et économique élevé correspond aux objectifs stratégiques des sciences et technologies de l'information.

• Chip-based squeezing at a telecom wavelength, Photonics Research Vol. 7, Issue 7, pp. A36-A39 (2019)
• Quantum description of timing jitter for single-photon ON-OFF detectors, Phys. Rev. A 98, 013833 (2018)
• Hybrid entanglement with time-bin encoding, to be submitted
• Photorefractive effects in waveguides for quantum optics, to be submitted
• Remote preparation of continuous-variable qubits using loss-tolerant hybrid entanglement of light, Optica 5, 1012 (2018)
• Demonstration of EPR steering using hybrid continuous- and discrete-variable entanglement of light, Phys. Rev. Lett. 121, 170403 (2018)
• Roadmap on all-optical processing, J. Opt. 21, 063001 (2019)

Un article sur un témoin d'intrication hybride résistant aux pertes est en préparation pour être soumis au début de l'automne.

La lumière est un excellent moyen pour transporter l’information classique comme quantique sur de longues distances. Les qubits optiques peuvent ainsi être transmis sur de longues distances par des fibres optiques, manipulés par des dispositifs linéaires et interfacés avec la matière. Traditionnellement, l’information quantique (IQ) peut être codée selon deux modalités différentes issues de la dualité onde-corpuscule. Dans l’approche à variables discrètes (VD), des qubits sont définis dans un espace à deux dimensions codé dans des observables à spectres discrets. Parallèlement, l’information peut être codée dans des variables continues (VC), par exemple l’amplitude et la phase du champ électromagnétique, conduisant à des espaces de dimension infinie. Chaque régimes possède ses avantages et ses inconvénients propres. L’approche VD a prouvé sa validité dans de nombreuses expériences révolutionnaires. La téléportation peut être réalisée avec une fidélité égale à un mais est intrinsèquement probabiliste et affectée par les limitations des détecteurs à photons uniques. Inversement, les états VC non classiques peuvent être générés de manière déterministe et permettent une discrimination non ambiguë des états mais ils souffrent de leur forte sensibilité aux pertes et de fidélités intrinsèquement limitées. Dans ce contexte, très récemment, l’hybridation entre les techniques VD et VC a été identifiée comme un outil clé pour bénéficier des avantages des deux approches et d’associer les techniques des deux régimes pour contourner les limitations individuelles. Hy-Light aborde cet objectif émergent mais potentiellement très puissant, où la combinaison des outils et des concepts pourrait constituer une alternative intéressante pour concevoir des protocoles plus efficaces et plus robustes. Plus précisément, le présent projet exploitera l’intrication entre des qubits « particule » et des qubits « onde » en tant que ressource fondamentale. Cet objet composite incorpore les approches VD et VC et permet, en principe, le transfert d’information d’un codage à l’autre. En fonction de chaque situation, il sera alors possible de tirer parti alternativement des possibilités VD ou VC. L’intérêt de ces caractéristiques prometteuses a motivé un nombre croissant de propositions théoriques impliquant l’intrication hybride comme ressource pour des études d’optique quantique fondamentales comme pour l’IQ. Néanmoins, le champ est à un stade très préliminaire et, jusqu’à présent, seules deux démonstrations expérimentales de l’intrication hybride ont été réalisées. Hy-Light vise à relever le défi de pousser ces expériences de première génération vers des concepts testables, des protocoles originaux et des implémentations pour exploiter cette approche. Le projet explorera des formes nouvelles et améliorées d’intrication VD-VC en se basant sur de nouveaux degrés de liberté ou des systèmes de dimension plus grande pour la composante discrète, ou avec des états plus complexes pour la composante continue. Nous nous concentrerons ensuite sur l’implémentation de premiers protocoles de communication ou de calcul quantiques. Le projet permettra d’approfondir notre connaissance de l’approche hybride mais aussi de poser les bases d’applications futures en IQ exploitant les meilleurs éléments des approches VD et VC.