Cette thèse est consacrée au contrôle de la dynamique de systèmes quantiques par interaction avec des impulsions laser. Ces impulsions laser sont déterminées par la méthode du contrôle optimale qui peut être formulé dans l'espace de Hilbert pour les fonction d'ondes et dans l'espace de Liouville pour les matrices densité. Cette dernière approche est nécessaire pour étudier la dissipation et la décohérence. La première application concerne la localisation d'un paquet d'ondes dans l'un ou l'autre des puits d'une surface de potentiel à deux dimensions où trois bassins sont connectés par une région de biffurcation. Le modèle moléculaire correspond à l'isomérisation de H3CO en H2COH. La seconde application porte sur un modèle d'isomérisation du rétinal où seul la coordonnée de torsion est prise en compte. Les applications sur la portes logiques ont été réalisées en encodant l'information dans des niveaux vibrationnels d'un double puits à deux dimensions. Des champs permettant de simuler des transformations unitaires telles que la porte NOT, la porte CNOT et la porte HADAMARD ont été optimisés. Ces champs ont été concaténés pour simuler les quatre étapes de l'algorithme de Deutsch sur un système à deux qubits. L'influence de l'environnement a été prise en compte. Ces simulations montrent qu'il est concevable d'utiliser des degrés de liberté moléculaires avec des impulsions laser optimisées pour aller vers la calcul quantique.

Dans ce travail de thèse nous nous sommes intéressés à une catégorie spécifique d'états quantiques de la lumière : les états non-gaussiens. Ces états ont la particularité de présenter des fonctions de Wigner à valeurs négatives. Cette propriété est indispensable pour réaliser des opérations de calcul quantique mais trouve aussi des applications variées en communication quantique ou métrologie par exemple. Différentes stratégies peuvent être utilisées pour générer de tels états. Ici, les ressources initiales sont des états dit gaussiens produits par des oscillateurs paramétriques optiques en régime continu (i.e. vide comprimé bi-mode et mono-mode). Le caractère non-gaussien ne peut être obtenu que par des phénomènes non-linéaires (hamiltonien sur-quadratique). Dans notre cas, la non-linéarité est induite par des mesures basées sur le comptage de photon (aussi appelées mesures non-gaussiennes). Cette étude est principalement divisée en deux parties. Tout d'abord, la génération d'états non-classiques correspondants à deux types d'encodages de qubits : le photon unique, utilisé en information quantique dite à variables discrètes, et la superposition d'états cohérents (chat de Schrödinger optique), utilisée en information quantique dite à variables continues. Ces états ont ensuite été utilisés pour mettre en \oe{}uvre deux protocoles d'information quantique. Le premier porte sur un témoin d'intrication en photon unique, l'autre sur la génération d'intrication entre deux types d'encodages (aussi appelée intrication hybride).

Un supersolide est un solide élastique bien qu'en partie superfluide. La supersolidité, mise en évidence expérimentalement dans l'hélium 4 en 2004, semble paradoxale et reste controversée. Par ailleurs, en dessous de 200 mK où la supersolidité apparaît, le module de cisaillement augmente. Ces deux propriétés sont très dépendantes du désordre cristallin et la température de la transition dépend de la concentration en impuretés 3He même en dessous du ppb. Dans cette thèse, nous avons étudié les propriétés mécaniques de monocristaux 4He dans la limite d'une extrême qualité et pureté cristalline. Nous avons réalisé des cavités acoustiques permettant, à l'aide de transducteurs piézoélectriques, de mesurer la résonance acoustique de cristaux 4He dont l'orientation est mesurable optiquement. Nos résultats montrent que les dislocations sont responsables de l'anomalie des coefficients élastiques et que le piégeage par les impuretés 3He à basse température explique la variation de rigidité des cristaux. Cette variation est parfois très importante (∼86 %) et implique le déplacement de lignes de dislocations sur des distances macroscopiques à des vitesses relativement importantes. Nous avons aussi réalisé des mesures du moment d'inertie de cristaux 4He dans un oscillateur de torsion transparent. Les monocristaux présentent une anomalie de rotation qui s'interprète davantage comme une anomalie élastique que par l'apparition de la supersolidité. Nos résultats illustrent principalement la remarquable plasticité quantique des cristaux 4He.

Les lasers femtoseconde sont des sources de très haute précision pour la métrologie. La possibilité de produire des états comprimés dans ce régime pourrait conduire à une amélioration des mesures physiques. Dans une première partie, j'introduirai une limite de sensibilité pour l'estimation de paramètres portés par le champ électromagnétique, utilisant des ressources gaussiennes quelconques. Il peut être montré qu'un état comprimé monomode, sur un mode bien défini, est optimal d'un point de vue expérimental. Je présenterai alors un schéma simple et général, utilisant une détection homodyne, qui permet de mesurer de façon optimale des paramètres portés par le champ électromagnétique. Dans une seconde partie, je présenterai les résultats expérimentaux que nous avons obtenus en utilisant un oscillateur paramétrique optique femtoseconde pompé de façon synchrone. J'exposerai la production d'états comprimés en intensité dans ce régime ainsi que la preuve du caractère multimode de la lumière produite. Ceci constitue une étape majeure pour la production d'états multimodes sur mesure en régime femtoseconde.

L'utilisation de boucles de rétroaction est au cœur de nombreux systèmes de contrôle classiques. Un contrôleur compare le signal mesuré par une sonde à la valeur de consigne. Il dirige alors un actionneur pour stabiliser le signal autour de la valeur ciblée. Étendre ces concepts au monde quantique se heurte à une difficulté fondamentale : le processus de mesure modifie inévitablement par une action en retour le système à contrôler. Dans ce mémoire, nous présentons la première réalisation d'une boucle de rétroaction quantique utilisée en continu. Le système contrôlé est un mode du champ électromagnétique piégé dans une cavité Fabry-Pérot micro-onde de très haute finesse. Des atomes de Rydberg circulaires réalisent par une succession de mesures dites faibles une mesure quantique non-destructive du nombre de photons dans le mode. Étant donnés les résultats de ces mesures, et connaissant toutes les imperfections expérimentales du système, un ordinateur de contrôle estime en temps réel la matrice densité du champ piégé dont il déduit l'amplitude de champs micro-ondes classiques à injecter permettant de stabiliser l'état du champ autour d'un état cible. Dans ce mémoire, nous montrons comment nous avons été capables de préparer sur demande et de stabiliser les états de Fock du champ contenant de 1 à 4 photons.

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.

Réaliser des expériences d'interférence à quelques électrons est un enjeu majeur de l'optique électronique. Ceci nécessite de disposer d'une source inédite capable d'émettre de manière systématique un nombre arbitraire de quasi-particules formant un paquet d'onde cohérent. Considérons une source de courant résultant de l'application de pulses de tensions sur un canal unidimensionnel balistique. Généralement, la charge q émise par pulse est accompagnée d'une quantité statistique N+ d'électrons et de trous, de charge totale nulle. Cependant, ces excitations supplémentaires disparaissent pour des pulses Lorentziens. Alors le nombre de quasi-particules émises est certain, et on réalise ainsi une source fiable à n-électrons indiscernables. Dans ce travail de thèse, nous réalisons cette source en appliquant des pulses de tension sub-nanosecondes sur un contact ponctuel quantique (QPC) réalisé sur une hétérostructure d'GaAs/AlGaAs. Lorsque le QPC n'est pas utilisé à transmission parfaite, le bruit de partition permet de compter le nombre d'excitations. Cette mesure permet de tester la disparition de N+ pour des pulses Lorentziens injectant des charges entières, et apporte également des informations sur la nature des excitations, notamment une spectroscopie des processus d'absorption et d'émission de photon qui leur donnent naissance. Nos expériences comparent des pulses Lorentziens, sinusoïdaux et carrés et montre les particularités de l'excitation générée par les pulses Lorentziens. Les résultats expérimentaux, qui incluent les effets de température, sont en accord quantitatif avec les prédictions théoriques.

CETTE THESE A EU POUR OBJET DE REALISER EXPERIMENTALEMENT L'INTEGRATION DE CIRCUITS DE BOITE QUANTIQUE (QD) DANS UNE ARCHITECTURE D'ELECTRODYNAMIQUE QUANTIQUE EN CAVITE SUR CIRCUIT (CQED). L'INTERET DE CES SYSTEMES HYBRIDES RESIDE DANS L'INTERACTION LUMIERE-MATIERE QUI S'OPERE ENTRE LES PHOTONS DE LA CAVITE MICROONDE ET LES ELECTRONS DU QD. DANS CE TRAVAIL DE THESE, IL A ETE CHOISI D'UTILISER DES NANOTUBES DE CARBONE COMME MATERIAU POUR LES QDS. EN EFFET, ILS PERMETTENT L'OBSERVATION DE DIFFERENTS REGIMES DE TRANSPORT ELECTRONIQUE (FABRY-PEROT, BLOCAGE DE COULOMB ET KONDO) ET ILS SONT EGALEMENT POLYVALENTS VIS-A-VIS DES MATERIAUX AVEC LESQUELS IL EST POSSIBLE DE LES CONTACTER (METAL NORMAL, SUPRACONDUCTEUR, FERROMAGNETIQUE). LA REALISATION EXPERIMENTALE DE CES DISPOSITIFS A PERMIS DE MESURER UN COUPLAGE ELECTRON-PHOTON DE L'ORDRE DE 100MHZ, COMPARABLE AUX COUPLAGES OBTENUS EN CQED TRADITIONNELLE. CE COUPLAGE EST REGLABLE PAR DES MOYEN PUREMENT ELECTRIQUES. ENFIN, NOUS AVONS MIS EN EVIDENCE L'INTERACTION A DISTANCE ENTRE DEUX QDS SEPARES DE 80µM, PAR L'INTERMEDIAIRE DES PHOTONS MICROONDES. CES RESULTATS DEMONTRENT LE POTENTIEL DE CES DISPOSITIFS POUR DES APPLICATIONS A LA MANIPULATION DE L'INFORMATION QUANTIQUE AINSI QUE LA SIMULATION SUR PUCE DE PROBLEMES DE MATIERE CONDENSEE. NOUS AVONS PU AINSI MESURER LA CAPACITE QUANTIQUE DES QDS, NOTAMMENT DANS LE REGIME KONDO, ET SIMULER LE DECALAGE POLARONIQUE ELECTRON-PHONON, DANS LE CAS DE L'INTERACTION A DISTANCE ENTRE LES DEUX QDS.

Nous évaluons l'interaction de Casimir entre un miroir plan et un miroir sphérique, à température arbitraire, en tenant compte de la réflexion imparfaite. Cela nous permet d'étudier la riche dépendance à la géométrie de l'effet Casimir, et d'estimer l'erreur faite par l'approximation de proximité (PFA), communément utilisée pour cette configuration sphère-plan qui est celle des expériences. Pour cette évaluation nous appliquons la méthode de diffusion, basée sur la théorie des réseaux optiques, à la géométrie sphère-plan. La température est prise en compte par la formule de Matsubara. La réflexion sur le plan est exprimée à l'aide d'ondes planes, celle sur la sphère à l'aide d'ondes sphériques, entraînant un développement multipolaire. Les indices (l,m) de ces dernières sont tronqués à une valeur maximale pour l'évaluation numérique. Nous étudions d'abord le cas de la température nulle. Les résultats numériques permettent de caractériser l'erreur des différentes méthodes d'approximation, en fonction du modèle utilisé pour les miroirs, et de mettre en évidence des corrélations entre les effets de géométrie et de conductivité finie. Nous analysons ensuite la dépendance de l'effet Casimir à la température. Pour des miroirs parfaits, nous observons des corrélations entre les effets thermiques et géométriques pouvant entraîner une contribution répulsive des photons thermiques à la force de Casimir. Ce phénomène peut être associé à l'apparition de valeurs négatives pour l'entropie. Enfin, pour des miroirs métalliques à température ambiante nous observons une grande variété de corrélations entre les effets de la géométrie, de la température et de la dissipation dans les métaux.

Cette thèse porte sur le développement de circuits supraconducteurs à jonctions Josephson, issus de la boîte à paire de Cooper, pour réaliser des bits quantiques (qubits). La version quantronium de ce circuit avait déjà démontré une cohérence quantique assez bonne pour faire des portes logiques à un qubit. Pour réaliser des portes logiques à deux qubits, nous avons développé un circuit, le quantroswap, fait de deux quantroniums couplés, chaque qubit pouvant être piloté et mesuré séparément. Nous avons démontré l'échange cohérent d'état entre les deux qubits, mais aussi observé un effet rédhibitoire d'instabilité dans ces qubits. Pour l'éviter, nous avons réalisé un nouveau circuit fait d'une boite à paires de Cooper insensible au bruit en charge électrique et stable, couplée à un résonateur non linéaire pour sa lecture. Nous avons obtenu un temps de cohérence long (~1 μs), et une très bonne fidélité de lecture (90%) du qubit en utilisant le phénomène de bifurcation. Dans un but métrologique, la mesure par réflectométrie microonde du quantronium a aussi permis de relier un courant I injecté dans le circuit à la fréquence f=I/2e des oscillations de Bloch induites.