Dispositifs photoniques en AlGaAs : de la génération d'états quantiques aux communications quantiques

One of the main issues in the domain of quantum information and communication is the generation, manipulation and detection of several qubits on a single chip. Several approaches are currently investigated for the implementation of qubits on different types of physical supports and a variety of quantum information technologies are under development: for quantum memories, spectacular advances have been done on trapped atoms and ions, while to transmit information, photons are the ideal support thanks to their high speed of propagation and their almost immunity against decoherence. My thesis work has been focused on the conception, fabrication and characterization of a miniaturized semiconductor source of entangled photons, working at room temperature and telecom wavelengths. First the theoretical concepts relevant to understand the work are described (chapter 1). Then the conception and fabrication procedures are given (chapter 2). Chapter 3 presents the optoelectronics characterization of the device under electrical pumping, and chapter 4 the results on the optical losses measurements and the nonlinear optical characterization (second harmonic generation, spontaneous parametric down conversion and joint spectral intensity reconstruction). Chapters 5 and 6 focus on the characterization of the quantum state generated by a passive sample (demonstration of indistinguishability and energy-time entanglement) and its utilization in a multi- user quantum key distribution protocol (polarization entanglement). Finally the work on the first electrically driven photon pairs source emitting in the telecom range and working at room temperature is presented (chapter 7).Un des plus grands challenges dans le domaine de l’information quantique est la génération, manipulation et détection de plusieurs qubits sur des micro-puces. On assiste ainsi à un véritable essor des technologies pour l’information quantique et pour transmettre l’information, les photons ont un grand avantage sur les autres systèmes, grâce à leur grande vitesse et leur immunité contre la décohérence. Mon travail de thèse porte sur la conception, fabrication et caractérisation d’une source de photons intriqués en matériaux semiconducteurs d’une très grande compacité. Ce dispositif fonctionne à température ambiante, et émet dans la bande de longueurs d’onde télécom. Après une présentation des concepts fondamentaux (chap. 1), le chap. 2 explique la conception et la fabrication des dispositifs. Le chap. 3 présente les caractérisations opto-électroniques des échantillons pompés électriquement, et le chap. 4 les résultats des mesures de pertes et des caractérisations non-linéaires optiques (génération de seconde harmonique, conversion paramétrique spontanée et reconstruction de l’intensité spectrale jointe). Les chap. 5 et 6 se concentrent sur la caractérisation des états quantiques générés par un dispositif passif (démonstration de l’indiscernabilité et de l’intrication en énergie-temps) et leur utilisation dans un protocole de distribution de clés quantiques multi-utilisateurs (intrication en polarisation). Finalement le travail sur le premier dispositif produisant des pairs de photons dans les longueurs d’onde télécoms, injecté électriquement et fonctionnant à température ambiante est présenté (chap. 7)