Quantum communication with photonic entanglement

Cette thèse est consacrée à l'étude expérimentale de communications quantiques dans les fibres optiques. L'objectif prinicipal est d'implémenter une expérience permettant un échange d'enchevêtrement dans une configuration de relais quantique. Cette expérience est la première réalisation d'échange d'enchevêtrement avec deux sources de paires de photons autonomes. Une nouvelle source continue de paires de photons enchevêtrés avec un long temp de cohérence a été édéveloppée dans ce but. Nous montrons les performances des détecteurs de phton unique aux longueurs d'onde télécoms, basés sur les supraconducteurs. Leurs résolutions temporelles sont bien meilleures que la longueur de cohérence de nos paires de photons enchevêtrés. Ceci permet la synchronisation de photons indépendants lors d'une mesure jointe (e.g. mesure d'état de Bell), mesure indispensable pour réaliser un échange d'enchevêtrement. Pour montrer la faisabilité et la précision d'une telle synchronisation, une expérience de Hong-Ou-Mandel avec des sources continues indépendantes est présentée

Photon-bunching measurement after two 25-km-long optical fibers

To show the feasibility of a long-distance partial Bell-state measurement, a Hong-Ou-Mandel experiment with coherent photons is reported. Pairs of degenerate photons at telecommunication wavelength are created by parametric down-conversion in a periodically poled lithium niobate waveguide. The photon pairs are separated in a beam splitter and transmitted via two fibers of 25 km. The wave packets are relatively delayed and recombined on a second beam splitter, forming a large Mach-Zehnder interferometer. Coincidence counts between the photons at the two output modes are registered. The main challenge consists in the trade-off between low count rates due to narrow filtering and length fluctuations of the 25-km-long arms during the measurement. For balanced paths a Hong-Ou-Mandel dip with a net visibility of 47.3% is observed, which is close to the maximal theoretical value of 50% developed here. This proves the practicability of a long-distance Bell-state measurement with two independent sources, as, e.g., required in an entanglement swapping configuration in the scale of tens of kilometers

Single-Photon Detection System for Quantum Optics Applications

We describe the design and characterization of a fiber-coupled double-channel single-photon detection system based on superconducting single-photon detectors (SSPD), and its application for quantum optics experiments on semiconductor nanostructures. When operated at 2-K temperature, the system shows 10% quantum efficiency at 1.3-¿m wavelength with dark count rate below 10 counts per second and timing resolution <100 ps. The short recovery time and absence of afterpulsing leads to counting frequencies as high as 40 MHz. Moreover, the low dark count rate allows operation in continuous mode (without gating). These characteristics are very attractive-as compared to InGaAs avalanche photodiodes-for quantum optics experiments at telecommunication wavelengths. We demonstrate the use of the system in time-correlated fluorescence spectroscopy of quantum wells and in the measurement of the intensity correlation function of light emitted by semiconductor quantum dots at 1300 nm