Simple performance evaluation of pulsed spontaneous parametric down-conversion sources for quantum communications

Fast and complete characterization of pulsed spontaneous parametric down conversion (SPDC) sources is important for applications in quantum information processing and communications. We propose a simple method to perform this task, which only requires measuring the counts on the two output channels and the coincidences between them, as well as modeling the filter used to reduce the source bandwidth. The proposed method is experimentally tested and used for a complete evaluation of SPDC sources (pair emission probability, total losses, and fidelity) of different bandwidths. This method can find applications in the setting up of SPDC sources and in the continuous verification of the quality of quantum communication links

Vers une source de paires de photons intriqués en polarisation de spectre étroit à 1550 nm

The future of quantum communications lies in the realization of repeaters for which a quantum memory is necessary and allows chaining multiple entanglement swappings. Such memories require photons with very narrow linewidths (< 100MHz), making it challenging to preserve the quality of entangled photon pair sources. Within this framework, we study the performances of twin photon sources based on spontaneous parametric down-conversion (SPDC) in nonlinear crystals. To allow for long-distance propagation, photons are created around 1550 nm and coupled into optical fibres. To anticipate synchronization requirements, we focus on pulsed sources. After studying the consequences of various degrees of freedom on the source performance, we make two contributions that can be used to develop optimal SPDC sources. The first contribution, based on an experimentally-verified theoretical study, is a new general result giving the optimal conditions of parametric interaction that maximize the pair extraction efficiency, as opposed to the mere source brightness. The second contribution is an original technique for directly measuring the pair extraction efficiency. Apart from standard single and coincidence count rates measurements, used for instance in Bell state measurements, this technique only requires the knowledge of the spectral shapes of the filters. These large scope theoretical results and this simple experimental technique are both part of a wider, detailed study on SPDC sources.L'avenir des communications quantiques réside dans le développement de répéteurs pour lesquels une mémoire quantique est nécessaire et permet de chaîner plusieurs transferts d'intrication. Ces mémoires exigent une largeur spectrale très étroite (< 100MHz), ce qui impose des contraintes fortes sur la qualité des sources de paires de photons intriqués. Dans le cadre de cette faible largeur spectrale, nous étudions les performances des sources de photons jumeaux basées sur la fluorescence paramétrique dans un cristal non-linéaire. Pour assurer la propagation sur de longues distances, les photons sont émis à 1550 nm et couplés dans des fibres optiques. Pour les besoins de synchronisation, nous nous intéressons au cas de sources impulsionnelles. Après une étude de l'effet de leurs différents degrés de liberté sur leurs performances, nous apportons deux contributions utiles à la réalisation de sources optimales. La première, basée sur une étude théorique confirmée par l'expérience, est un résultat nouveau et général donnant les conditions optimales d'interaction paramétrique en vue de maximiser non pas la brillance de la source, mais l'efficacité d'extraction des paires, critique du point de vue de la qualité. La seconde contribution consiste en une technique originale de mesure directe de cette efficacité d'extraction. Outre les mesures de taux de détection (coups simples et coïncidences) effectuées par exemple lors d'une mesure de Bell, cette technique ne fait appel qu'à la connaissance de la forme spectrale du filtrage des photons jumeaux. Ces résultats théoriques de portée générale, et la technique simple développée, constituent deux éléments d'une étude détaillée des sources basée sur la fluorescence paramétrique

Vers une source de paires de photons intriqués en polarisation de spectre étroit à 1550 nm

L'avenir des communications quantiques réside dans le développement de répéteurs pour lesquels une mémoire quantique est nécessaire et permet de chaîner plusieurs transferts d'intrication. Ces mémoires exigent une largeur spectrale très étroite (<100 MHz), ce qui impose des contraintes fortes sur la qualité des sources de paires de photons intriqués. Dans le cadre de cette faible largeur spectrale, nous étudions les performances des sources de photons jumeaux basées sur la fluorescence paramétrique dans un cristal non-linéaire. Pour assurer la propagation sur de longues distances, les photons sont émis à 1 550 nm et couplés dans des fibres optiques. Pour les besoins de synchronisation, nous nous intéressons au cas de sources impulsionnelles. Après une étude de l'effet de différents degrés de liberté des sources SPDC sur leurs performances, nous apportons deux contributions utiles à la réalisation de sources optimales. La première contribution, basée sur une étude théorique confirmée par l'expérience, est un résultat nouveau et général donnant les conditions optimales d'interaction paramétrique en vue de maximiser non pas la brillance de la source, mais l'efficacité d'extraction des paires, critique du point de vue de la qualité. La seconde contribution consiste en une technique originale de mesure directe de cette efficacité d'extraction. Outre les mesures de taux de détection effectuées lors d'une mesure de Bell, cette technique ne fait appel qu'à la connaissance de la forme spectrale du filtrage. Ces résultats théoriques de portée générale, et la technique simple développée, constituent deux éléments d'une étude détaillée des sources basée sur la fluorescence paramétrique.The future of quantum communications lies in the realization of repeaters for which a quantum memory is necessary and allows chaining multiple entanglement swappings. Such memories require photons with very narrow linewidths (<100 MHz), making it challenging to preserve the quality of entangled photon pair sources. Within this framework, we study the performances of twin photon sources based on spontaneous parametric down-conversion (SPDC) in nonlinear crystals. To allow for long-distance propagation, photons are created around 1550 nm and coupled into optical fibres. To anticipate synchronization requirements, we focus on pulsed sources. After studying the consequences of various degrees of freedom on the source performance, we make two contributions that can be used to develop optimal SPDC sources. The frrst contribution, based on an experimentally-verified theoretical study, is a new general result giving the optimal conditions of parametric interaction that maximize the pair extraction efficiency, as opposed to the mere source brightness. The second contribution is an original technique for directly measuring the pair extraction efficiency. Apart from standard single and coincidence count rates measurements, used for instance in Bell state measurements, this technique only requires the knowledge of the spectral shapes of the filters.ORSAY-PARIS 11-BU Sciences (914712101) / SudocSudocFranceF

Magnetic freeze-out and anomalous Hall effect in ZrTe5

International audienceAbstract The ultra-quantum limit is achieved when a magnetic field confines an electron gas in its lowest spin-polarised Landau level. Here we show that in this limit, electron doped ZrTe 5 shows a metal-insulator transition followed by a sign change of the Hall and Seebeck effects at low temperature. We attribute this transition to a magnetic freeze-out of charge carriers on the ionized impurities. The reduction of the charge carrier density gives way to an anomalous Hall response of the spin-polarised electrons. This behavior, at odds with the usual magnetic freeze-out scenario, occurs in this Dirac metal because of its tiny Fermi energy, extremely narrow band gap and a large g -factor. We discuss the different possible sources (intrinsic or extrinsic) for this anomalous Hall contribution