Experimental realisation of a single photon source by fluorescence of individual color centers in diamond. Application to quantum cryptography. - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2002

Experimental realisation of a single photon source by fluorescence of individual color centers in diamond. Application to quantum cryptography.

Réalisation expérimentale d'une source de photons uniques par fluorescence de centres colorés individuels dans le diamant ; application à la cryptographie quantique

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Abstract

Secure key distribution between two persons is a complicated task. In a classical world, it is impossible to guarantee that an eavesdropper doesn't create a copy of the key during the exchange. In 1984 has been proposed a protocol based on the properties of quantum mechanics that assures an unconditionally secure exchange of secret keys. Ideally, the protocol uses single photon sources, the information being coded on the polarisation of the photons. The security is guaranteed by choosing randomly the polarisation base (Linear, Circular). In this context, this work describes the realisation of a single photon source, and it's application to quantum cryptography. A single photon source is obtained by pulsed excitation of a single dipole. The dipole studied in this work is the NV center in diamond. It is composed of a Nitrogen atom (N) and a Vacancy (V) substituting two carbon atoms. Under continuous excitation the center has been studied with a confocal microscope and an intensity autocorrelation set-up. It has turned out to be a very good candidate for a single photon source since it is easy to manipulate and photostable. Under pulsed excitation, we show that this single photon source has high production efficiency, and a very low number of two-photon pulses. Finally, this source has been used in a quantum cryptography prototype. After a description of the experimental set-ups of the emitter and the receiver, we describe in detail a quantum key exchange. The achieved performances show a quantitative advantage in the maximum tolerated losses, compared to prototypes using faint laser pulses.
L'échange sécurisé d'une clé secrète entre deux interlocuteurs est une tâche compliquée. Dans un monde " classique ", il n'est pas possible de garantir qu'un espion n'a pas effectué une copie de cette clé lors de son échange. En 1984, un protocole basé sur les propriétés de la mécanique quantique a démontré la possibilité d'un échange inconditionnellement sûr d'une clé secrète entre deux interlocuteurs. Idéalement, le protocole utilise une source de photons uniques. L'information est alors codée, par exemple sur la polarisation des photons. La sécurité est garantie par un choix aléatoire de la base de polarisation (Linéaire, Circulaire). Dans ce contexte, cette étude porte sur la réalisation d'une source de photons uniques et son application à la cryptographie quantique. Une source de photons uniques est obtenue par l'excitation impulsionnelle d'un dipôle unique. Le dipôle étudié dans ce travail est le centre NV dans le cristal de diamant. Il est constitué d'un atome d'azote (N) et d'une lacune (V) en substitution dans la maille cristalline du diamant. L'étude sous excitation continue de ce dipôle, à l'aide d'un microscope confocal et d'un montage d'autocorrélation d'intensité, montre que de par sa simplicité d'utilisation et de sa photostabilité intrinsèque, il est un candidat de choix pour une source de photons uniques. En excitation impulsionnelle, on démontre que la source de photons uniques ainsi produite présente une grande efficacité de production de photons, et un très faible taux d'impulsions contenant deux photons. Finalement, cette source été utilisée dans un montage de cryptographie quantique. Après une description des dispositifs expérimentaux de l'émetteur et du récepteur, nous décrivons en détail l'échange de clé quantique. Les résultats obtenus montrent un avantage quantitatif dans le taux de pertes admissibles en ligne en comparaison avec des prototypes basés sur une source cohérente atténuée.
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Cite

Alexios Beveratos. Réalisation expérimentale d'une source de photons uniques par fluorescence de centres colorés individuels dans le diamant ; application à la cryptographie quantique. Physique Atomique [physics.atom-ph]. Université Paris Sud - Paris XI, 2002. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00008487⟩
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