Source de photons uniques annoncés

Rapport de projet de licence3 de physique réalisé par

Antoine Dussaux et Arnaud Crassous

Et encadré par

Sorin Tascu et Pascal Baldi

Au LPMC de Nice

SOMMAIRE

I)                   PRESENTATION

II)        DESCRIPTION DE L’EXPERIENCE

A)        CARACTERISATION DU GUIDE D’ONDE SUR PPLN

B)        CREATION DE LA SOURCE DE PHOTONS UNIQUES ANNONCES

C)        L’ELECTRONIQUE DE TRAITEMENT DU SIGNAL

D)        MESURES EXPERIMENTALES DES PERFORMANCES DE LA SOURCE 

      III)      TECHNIQUES EXPERIMENTALES ET PRECAUTIONS

I)         PRESENTATION

L'information quantique est un nouveau champ de recherche, dont le but est de tirer parti de la mécanique quantique pour traiter l'information d'une manière plus efficace. Les deux composantes principales sont les communications quantiques, qui apportent une sécurité accrue par rapport aux systèmes de cryptographie classique, et le calcul quantique, pour lequel de nouveaux algorithmes permettent de diminuer radicalement les temps de calcul nécessaire pour résoudre certains problèmes grâce à la superposition cohérente d'états possibles pour les systèmes quantiques.

            La création d'une source de photons uniques est un élément essentiel pour la communication quantique. C'est une source pour laquelle le taux d'impulsions à deux photons par rapport à celle n'en contenant qu'un seul est très faible. 

            Les sources de photons uniques annoncés reposent sur une très forte corrélation entre l'émission d'un photon et un autre évènement. La, conversion "énergie-photon" est très mal contrôlée. Dans ce cas l'utilisateur ne contrôle pas l'émission du photon, qui peut intervenir n'importe quand, mais dispose d'un indicateur qui le prévient quand le photon a été émis, ici un signal électrique issu de la capture d’un autre photon qui lui est intriqué. On parlera de photons idler pour le photon annoncé et signal pour son photon intriqué.

            Notre stage a consisté à étudier une source de photons uniques répondant à certaines caractéristiques :

-photons annoncés de longueur d’onde télécom λ=1550nm.

-forte probabilité P₁ de détecter un photon lorsque celui-ci est annoncé.

-faible probabilité P₂ de détecter 2 photons alors qu’un seul a été annoncé.

-faible probabilité P₀ de ne rien détecter alors qu’un photon a été annoncé.

-une faible fonction d’autocorrélation d’ordre 2 g² (0) entre P₁ et P₂.

            Nous décrirons les méthodes utilisées pour réaliser un montage permettant d’obtenir une telle source de photons uniques annoncés.

II)        DESCRIPTION DE L’EXPERIENCE

A)        CARACTERISATION DU GUIDE D’ONDE SUR PPLN

            C’est à l’intérieur du guide d’onde que le faisceau de photons monochromatiques donne naissance aux paires de photons intriqués.

            Pour appréhender le fonctionnement d’un générateur de paires de photons, il est nécessaire de comprendre comment la lumière interagit avec les atomes de la matière. Imaginons-les constitués « d’électrons  reliés par des ressorts aux noyaux considérés fixes ».

            Les photons du champ électrique optique traversant le matériau vont être absorbés et mettre en vibration les électrons qui deviennent alors, avec les noyaux, autant de dipôles oscillants susceptibles de réémettre la lumière absorbée. En utilisant un matériau non linéaire, les électrons réémettent la lumière absorbée à sa même longueur d’onde mais également à toutes ses harmoniques.

            Ici, la configuration qui nous intéresse de l’interaction paramétrique correspondant au cas où un champ, dit de pompe, est envoyé dans le cristal, nous permettant d’obtenir un champ signal et un champ idler. Les fréquences associées aux champs pompes, signal et idler vérifient la conservation de l’énergie :

 ħω_p= ħω_s+ħω_i

            A ω_p donné, il existe une infinité de couples {ω_s,ω_i} satisfaisant cette équation, mais la dispersion du matériau qui implique des vitesses de phase différentes pour les trois ondes, fait que ce qui a été créé en un point du cristal, à une fréquence donnée, est généralement détruit par interférence.

            Les ondes signal et idler peuvent être créées efficacement que si une condition supplémentaire est vérifiée : la conservation de l’impulsion ou l’accord de phase.

k_p = k_s+k_i      

Pour faciliter la récolte de ces paires par une fibre optique monomode, il est judicieux de confiner la propagation des ondes à l’intérieur d’un guide. Il s’agit alors de réaliser une structure en forme de canal qui respectera le coefficient non linéaire du LiNbO₃.

Ce dernier est un cristal biréfringent et possède donc un indice extraordinaire et un ordinaire correspondant à l’indice « vu » par l’onde incidente, si sa polarisation est parallèle ou perpendiculaire à l’axe optique du cristal. On a pour cela réalisé un échange protonique qui accroît l’indice selon l’axe extraordinaire et de le diminuer selon l’axe ordinaire. De ce fait seul le mode TM sera guidé, la réalisation de l’accord de phase par biréfringence est donc impossible. De ce fait on utilise le quasi-accord de phase qui consiste à compenser le déphasage par une inversion périodique lc du signe du coefficient non linéaire du matériau en inversant la polarisation, avec lc longueur de cohérence.

Soit ΔK ce désaccord, on peut schématiquement écrire :

k_p =  k_s+k_i+ΔK

B)        CREATION DE LA SOURCE DE PHOTONS UNIQUES ANNONCES

La source est un laser pompe de longueur d’onde λ=532nm. Il est constitué d’une diode qui risque d’également émettre dans l’infrarouge.   Ainsi le faisceau est dirigé vers un prisme où il subit une double réfraction permettant de séparer les différentes longueurs d’ondes en jouant sur les angles de sortie.

            Afin de parfaitement diriger le faisceau sur l’objectif d’entrée  du banc optique on utilise un système de miroirs. De plus un diaphragme permet d’améliorer la mise en forme du faisceau.

            Le faisceau de photons pompes (λ=532nm) passe dans le guide d’ondes PPLN sélectionné. Un banc optique permet de déplacer les composants qui y sont fixés selon les 3 directions de l’espace.

            A la sortie du guide on retrouve des paires de photons intriqués aux longueurs d’ondes 810nm et 1550nm qu’on nommera photons signal et idler. (Voir caractérisation guide d’ondes)

            A la sortie du guide, après avoir été collecté dans une fibre optique, les paires de photons sont encore accompagnées par un grand nombre de photons pompes non convertis. Comme leur longueur d’onde est très différente de celles des photons signal et idler nous pouvons assez simplement les filtrer à l’aide d’un filtre Notch qui n’élimine que les photons à cette longueur d’ondes.

            Il faut ensuite séparer les paires de photons, pour cela on utilise un WDM qui possède une entrée optique collectant les photons signal et idler avant de les rediriger vers deux branches optiques séparées.

Le photon signal (λ=810nm) est capté par un détecteur au silicium.

      C)        L’ELECTRONIQUE DE TRAITEMENT DU SIGNAL

           Les signaux traités ici sont numériques. Le photon idler (annoncé) doit être retardé par 100m de fibre optique.

           Le photon idler est synchronisé avec le signal électrique, non pas en jouant sur la longueur de la fibre, mais en appliquant un délai à l’impulsion électrique. C’est le rôle du Digital Delay Generator.

            Il est important de noter que ce composant possède un temps mort de 1,3 microseconde après chaque conversion. Au final cela signifie que l’APD InGaAs ne recevra jamais de triggers plus proches que ce temps.

D)        MESURES EXPERIMENTALES DES PERFORMANCES DE LA SOURCE

Pour déterminer P₀, P₁ et P₂, il faut faire une mesure directe des évènements à 2 photons en utilisant 2 détecteurs. Pour cela, on fait passer la fibre optique des photons idler par un coupleur directionnel 50/50 équivalent à une lame séparatrice. Les sorties sont reliées à deux photodiodes à avalanche, les APD InGaAs d’efficacité η₁ et η₂et de taux de coups sombres Dc₁ et Dc₂. Elles fonctionnent en mode déclenché. Cela signifie qu’à l’arrivée d’un signal électrique elles s’allument durant une durée ΔT réglable. Leurs taux brut de détection Sbrut₁ et Sbrut₂ sont accessibles grâce à deux compteurs.

Les éventuelles coïncidences entre les 2 APDs sont analysées par le TAC/SCA et leur taux Rcbrut accessible via un troisième compteur.

Enfin un quatrième compteur sert à enregistrer le taux d’impulsions électriques Nt (signal) envoyées par la source.

Finalement, en débranchant la fibre reliant la source de photons uniques au coupleur directionnel nous mesurons les taux de coups sombres des APDs : Dc₁ et Dc₂ et en débranchant la fibre reliant la source au détecteur silicium on obtient son taux de coups sombres DcSi.

Ainsi à première vue, la probabilité :

            -P₂ est accessible en calculant RcBrut/Nt,

            -P₁ est liée à (Sbrut₁+Sbrut₂-Rcbrut)/Nt

            -P₀ est finalement égal à 1-P₁-P₂

Mais ce ne sera pas aussi simple, il faut également tenir compte du comportement aléatoire du coupleur 50/50 qui ne sépare correctement deux photons que dans 50% des cas, la faible efficacité et les coups sombres dans les APD-InGaAs qui ne correspondent à aucun « vrai » photon. 

Nous allons noter IP₂, IP₁ et IP₀ la probabilité d’obtenir une coïncidence entre les deux APDs, celle de n’avoir qu’une seule détection sur une des deux APDs, et celle de n’en avoir aucune.

Il faudra faire attention à ne pas les confondre avec les probabilités en sortie de source.

Elles sont respectivement égales à :

-Rcbrut/Nt

-(Sbrut₁+Sbrut₂)/Nt

-((Nt-Sbrut₁)+(Nt-Sbrut₂))/Nt

On obtient finalement les probabilités ci-dessous (Il est possible de connaître le calcul détaillé dans la thèse d’Olivier Alibart P115-120).

III)      TECHNIQUES EXPERIMENTALES ET PRECAUTIONS

-Laser :

Il n’y a pas de techniques particulières liées au positionnement du laser mais il y a des précautions d’emploi telles que ne jamais situer ses yeux à hauteur du faisceau, enlever les objets réfléchissants (montre, bracelet, appareil dentaireJ).

-Système optique :

L’utilisation de 3 miroirs permet de régler l’angle et l’orientation du faisceau laser avec une bien plus grande précision qu’en jouant directement avec la position du laser.

-Positionnement du PPLN :

Ensuite le faisceau est focalisé sur la face d’entrée du PPLN  à l’aide d’un objectif. Afin de se placer parfaitement à la distance focale on utilise la méthode d’auto collimation. On positionne une lame semi réfléchissante à une distance quelconque en amont de l‘objectif avec un angle de 45 degrés. Le faisceau issu de la réflexion à l’entrée du guide est reflété sur la lame 50/50 puis projeté sur l’écran 1. Si en faisant varier la distance entre ce dernier et la lame 50/50 on observe une tâche de taille constante sur l’écran, alors on se trouve à la distance focale. En plaçant un second objectif à la sortie du PPLN suivi de  l’écran 2, on vérifie maintenant que le faisceau est injecté dans un guide. On remarque, dans ce cas là, la présence d’une tache intense et localisée. Il est également nécessaire de vérifier l’horizontalité  du PPLN en s’assurant que le déplacement perpendiculaire de celui-ci nous permet de passer d’un guide à un autre.

-Optimisation du guide d’onde :

L’utilisation d’un four autour du guide d’onde est nécessaire pour éviter l’effet photo réfractif à l’intérieur de celui-ci. La température doit être d’environ 70° C dans nos conditions expérimentales c'est-à-dire une période d’inversion de 7,3μm et une largeur de guide de 8μm pour ne pas modifier les longueurs d’onde en sortie.

-Couplage de paire de photons dans une fibre optique :

L’objectif de collection positionné en sortie du PPLN dans la description ci-dessus est maintenant enlevé et remplacé par une fibre pour collecter la paire de photons intriqués. L’utilisation d’une lentille ou d’un microscope permet de positionner la fibre à la sortie du bon guide et d’éviter une trop forte pression entre celle-ci et le PPLN, ce qui l’endommagerait.  Pour améliorer la collection des photons, il faudra à terme éliminer les éventuels « gaps » d’air entre le guide et la fibre. Il existe pour cela une méthode qui consiste à utiliser un liquide d’indice optique équivalent à celui de la fibre.

On peut selon l’indice du guide se rendre compte du fait que le coefficient de transmission associé au changement de milieu est plus élevé grâce au liquide. (Voir ci-dessous).

-filtre WDM :

L’achat d’un WDM spécifique aux deux longueurs d’ondes qui nous intéressent étant trop coûteux, nous avons testé plusieurs WDM prévus pour fonctionner avec des longueurs d’ondes plus standards, donc moins chers.

Le test des WDM se fait à l’aide d’un laser et d’un power mètre. On utilise un laser à 1550nm que l’on injecte dans une fibre et l’on mesure la puissance de celui-ci à la sortie de la fibre. Cette puissance est comparée à celle obtenue à la sortie des 2  branches de sortie du WDM une fois la fibre connectée à la branche d’entrée du WDM. On obtient ainsi les pertes liées à l’insertion de la fibre dans le WDM et à la mauvaise séparation de deux longueurs d’onde.