Ce mémoire présente la modélisation théorique de l'expérience FORCA-G (FORce de CAsimir et Gravitation à courte distance) actuellement en cours de développement à l'Observatoire de Paris. L'objet de cette expérience est la mesure des interactions à courte portée entre un atome et une surface massive. Les interactions recherchées sont du type électrodynamique quantique (effet Casimir-Polder) et gravitationnelle. Le travail présenté ici a consisté à calculer les états des atomes dans le contexte de l'expérience afin de prévoir les signaux et les performances de l'expérience. Ceci a permis l'optimisation du schéma expérimental pour la mesure à la fois de l'effet Casimir-Polder à une précision non encore atteinte ainsi que pour la recherche de déviations à la loi de Newton prédites par les théories d'unification.

Une mesure adaptative vise à optimiser l'acquisition d'information sur un système à l'aide d'une boucle de rétroaction sur l'appareil de mesure. Dans notre dispositif d'électrodynamique en cavité, nous avons réalisé une mesure adaptative sur un système quantique, le champ micro-onde piégé dans une cavité supraconductrice de très grande finesse. Des atomes de Rydberg circulaires, interagissant dispersivement avec le champ, réalisent une série de mesures dites "faibles", aboutissant à la mesure quantique non destructive du nombre de photons dans le mode. La prise en compte des résultats des mesures successives, de l'action en retour sur le système, et de l'ensemble des imperfections expérimentales, permet à un ordinateur de contrôle d'effectuer une estimation en temps réel de l'état du champ. La phase de l'interféromètre de Ramsey qui définit la mesure réalisée sur les atomes est alors optimisée afin d'extraire un maximum d'information des détections ultérieures. Nous montrons que préparation d'états de Fock est nettement accélérée avec la méthode adaptative, par rapport à un protocole passif utilisant une alternance prédéfinie des phases de mesure. Cette réduction du temps de mesure est d'un grand intérêt en présence de décohérence, et pourrait par exemple être exploitée dans des protocoles de rétroaction quantique existants, où la rapidité de l'estimation d'état est cruciale.

Cette thèse est consacrée à l'étude de l'émission paramétrique produite par des microcavités de semiconducteurs sous excitation résonnante. Ces systèmes, formés par des puits quantiques insérés au milieu d'une cavité optique de taille micrométrique, montrent des effets non-linéaires optiques. La lumière paramétrique ainsi générée a des propriétés extrêmement intéressantes, que nous avons étudié dans les microcavités unidimensionnelles, ou fils photonique, et dans les microcavités multiples. L'utilisation de ces échantillons structurés permet d'obtenir des faisceaux paramétriques équilibrés en intensité et sous incidence normale du faisceau de pompe, caractéristiques très attractifs pour des possibles applications futures. La production de deux faisceaux paramétriques, signal et complémentaire, observée sur les fils photoniques nous a poussé à étudier les corrélations entre ces deux faisceaux. A l'aide d'un interféromètre de type Hanbury Brown et Twiss nous avons réalisé des mesures de fonction de corrélation du second ordre. La statistique des photons de chacun des deux faisceaux et leurs corrélations mutuelles ont été étudiées. L'étude de l'émission paramétrique en régime OPO sur des microcavités planaires multiples a mis en évidence une brisure de symétrie et la formation de motifs issus des non-linéarités propres de notre système. Nous avons aussi mis en évidence la possibilité de contrôler de façon toute optique ces motifs, à la fois à l'aide de la polarisation linéaire du faisceau de pompe et à l'aide d'un deuxième faisceau, dit sonde. Avec cette étude nous sommes à même de marquer une analogie fondamentale entre les OPO de microcavité et les OPO de taille macroscopique.

The topic of this thesis is the theoretical analysis of theoptomechanical coupling effects in a high-finesse optical cavity, and the experimental realization of such a device.Radiation pressure exerted by light limits the sensitivity of high precision optical measurements. In particular, the sensitivity of interferometric measurements of gravitational wave is limited by the so called standard quantum limit. cavity with a movable mirror. The internal field stored in such cavity can be orders of magnitude greater than the input field, and it's radiation pressure force can change the physical length of the cavity. In turn, any change in the mirror's position changes the phase of the out put field. This optomechanical coupling leads to an intensity-dependent phase shift for thelight equivalent to an optical Kerr effect. Such a device can then be used for squeezing generation or quantum nondemolition measurements.In our experiment, we send a laser beam in to a high-finesse optical cavity with a movable mirror coated on a high Q-factor mechanical resonator. Quantum effects of radiation pressure become therefore, at low temperature, experimentally observable. However, we've shown that the phase of the reflected field is very sensitive to small mirror displacements, which indicate other possible applications of thistype of device like high precision displacements measurements. We've been able to observe the Brownian motion of the moving mirror. We've also used an auxiliary intensity modulated laser beam to optically excite the acoustic modes. We've finally obtained a sensitivity of2x10^(-19) m/sqrt(Hz), in agreement with theoretical prediction.

Une mémoire quantique réversible permettant de stocker et relire de l'information quantique est une composante majeure dans la mise en œuvre de nombreux protocoles d'information quantique. Comme la lumière est un porteur de l'information quantique fiable sur des longues distances, et comme les atomes offrent la possibilité d'obtenir de longues durées de stockage, le recherche actuelle sur la création d'une mémoire quantique se concentre sur la transfert des fluctuations quantiques de la lumière sur des cohérences atomiques. Le travail réalisé durant cette thèse porte sur le développement d'une mémoire quantique pour la lumière comprimée, utilisant un ensemble d'atomes froids de Césium stock'es dans un piege magnéto-optique. Nos deux principaux objectifs étaient le développement d'une source de lumière non-classique, et le développement d'un milieu atomique pour le stockage de celle-ci. Tout d'abord, nous commençons par présenter la construction d'un oscillateur paramétrique optique qui utilise un cristal non-linéaire de PPKTP. Cet OPO fonctionne comme source d'états de vide comprime résonant avec la raie D2 du Césium. Nous caractérisons ces états grâce à une reconstruction par tomographie quantique, en utilisant une approche de vraisemblance maximale. Ensuite, nous examinons une nouvelle expérience qui nous permet d'utiliser comme milieu de stockage des atomes froids de Césium dans un piège magneto-optique récemment développé. Car cette expérience exige l'utilisation de nouveaux outils et techniques, nous discutons le développement de ceux-ci, et comment ils ont contribue à notre progression vers le stockage des états quantiques dans nos atomes des Césium, et finalement vers l'intrication de deux ensembles atomiques.

Dans ce travail de thèse, nous présentons quatre expériences, portant soit sur l'étude d'ions lourds hydrogenoïdes ou héliumoïdes, soit sur celle d'atomes exotiques, et qui se sont déroulées au Gesellschaft für Scherionenforchung (GSI) et à l'Institut Paul Scherrer (PSI).<br /><br />Dans la première partie de ce manuscrit, nous décrivons, tout d'abord, un spectromètre à cristal courbe et en transmission, couplé à un détecteur germanium sensible en position. Cet ensemble, dédié à la mesure de l'énergie de photons X entre 50 et 100 keV et qui est destiné à être monté sur l'accélérateur du GSI, nous permettra, dans les années avenirs, de gagner un ordre de grandeur sur la précision de la mesure du déplacement de Lamb du niveau fondamental de l'uranium hydrogénoïde, afin de tester la QED en champ coulombien fort. Ensuite, nous détaillons une expérience qui nous permettra de donner bientôt une nouvelle valeur de la masse du pion chargé avec une incertitude relative de 1 ppm. Elle est basée sur une spectroscopie X de l'azote pionique, effectuée au PSI. Pour celle-ci nous utilisons un montage composé d'une trappe anticyclotronique, d'un spectromètre de Bragg en réflexion, possédant un cristal sphérique et d'un détecteur CCD refroidit. Ce dispositif permet également de tester la QCD et la théorie des perturbations chirales, par une mesure des transitions radiatives de l'hydrogène pionique.<br /><br />La seconde partie est consacrée à une description d'une mesure la durée de vie d'un niveau métastable de l'or héliumoïde, grâce à une expérience de temps de vol, qui se déroule au GSI. Nous donnons, pour la toute première fois pour un Z si élevé, une valeur précise de cette durée de vie, qui constitue un test important de la théorie relativiste à n-corps.

Cette thèse présente l'étude et la réalisation de différents éléments clés pour la communication quantique longue distance. Pour cela, nous tirons parti de l'optique intégré sur de niobate de lithium, qui permet de mettre en exergue les propriétés non-linéaire de ce matériau. Après une brève introduction sur l'information quantique nous permettant de mettre en avant les enjeux actuels du domaine, nous nous intéressons à la réalisation de trois sources de paires de photons intriqués sur les observables polarisation (2) et time-bin (1), émettant aux longueurs d'onde des télécommunications. Ces réalisations font parties des meilleures sources actuelles aussi bien en terme de brillance que de qualité d'intrication mesurée, le tout alliant compacité et simplicité d'utilisation. Dans un second temps, nous présentons l'élaboration et la mise en oeuvre d'un relais quantique entièrement intégré. Pour cette réalisation, nous avons mergé au sein d'un même composant, pour la première fois, deux effets non-linéaires, l'un optique-optique pour la génération de paires de photons intriqués, et l'autre électro-optique pour le routage contrôlablé des photons. Une expérience d'interférence à deux photons entre un photon émis par la puce et un photon issu d'une source externe nous a permis de valider notre approche en obtenant une visibilité de 79% en accord avec les prédictions théoriques. Cette puce peut devenir un élément clé de la communication quantique car il permet d'accroître les distances de communication par un facteur 1.8.

Dans le domaine de l'électronique de spin, le filtrage de spin est un phénomène physique qui permet de générer des courants d'électrons polarisés en spin grâce au transport dépendant du spin à travers une barrière tunnel ferromagnétique. Alors que le filtrage de spin à température ambiante est très attractif pour les applications, il existe peu de matériaux ayant les proprieties électriques et magnétiques requises. Les ferrites isolants XFe2O4 (X= Co, Ni, Mn), qui présentent des températures de Curie nettement supérieures à 300 K, sont de bons candidats pour jouer le rôle de filtre à spin à température ambiante. Dans cette thèse, je présente une étude approfondie des ferrites MnFe2O4, NiFe2O4 et CoFe2O4 en films ultraminces épitaxiés pour le filtrage de spin à température ambiante, en me penchant sur leur croissance par épitaxie par jets moléculaires. Les proprieties structurales, chimiques, magnétiques et électriques ont été étudiées par plusieurs méthodes de caractérisation in situ et ex situ, qui ont permis de démontrer le fort potentiel de ces oxydes pour jouer le rôle de barrière tunnel magnétique à temperature ambiante. Les filtres à spin ont ensuite été intégrés dans des jonctions tunnel afin de faire des mesures de transport tunnel polarisé en spin, soit par la méthode de Meservey-Tedrow, soit par des mesures de magnétorésistance tunnel (TMR). Ces mesures ont révélé pour la première fois un effet de filtrage de spin à travers MnFe2O4(111) et des effets de TMR ont été obtenus dans des nano-jonctions tunnel à base de CoFe2O4(111), permettant d'obtenir la plus forte polarisation en spin actuelle à température ambiante par effet de filtrage de spin.

Les travaux présentés ont été menés au sein de l'équipe HOTES (Horloges optiques et tests fondamentaux par spectroscopie et interférométrie atomique et moléculaire) du Laboratoire de Physique de Lasers (LPL) à Villetaneuse. La philosophie générale de l'équipe est de développer des expériences de très haute précision en spectroscopie moléculaire appliquées à des problèmes originaux de physique fondamentale. La première partie de ce travail porte sur le développement d'une expérience de recherche d'un effet de non conservation de la parité dans des molécules chirales par spectroscopie laser. Cette expérience nous a conduit à un gain de près de 5 ordres de grandeur par rapport à la sensibilité de la précédente mesure publiée en 1977. Nous avons conclu au terme de ce travail à la nécessité de passer à une expérience en jet moléculaire pour aboutir à l'observation de l'effet. La sensibilité requise nécessite par ailleurs des sources lasers très bien contrôlées en terme de stabilité de fréquence et de reproductibilité. Nous avons donc développé un lien optique entre le LPL et le SYRTE (Paris) pour le transfert longue distance d'une fréquence d'horloge. Nous avons ensuite appliqué ce transfert à des expériences de métrologie au LPL au cours desquelles nous avons notamment démontré une amélioration significative du contrôle en fréquence de nos lasers à CO2. Enfin depuis 4 ans, nous développons une nouvelle expérience de spectroscopie moléculaire avec pour objectif la première mesure de la constante de Boltzmann par spectroscopie laser à un niveau de quelques ppm. Le travail mené devrait prochainement nous permettre d'atteindre notre objectif. Cette nouvelle thématique nous conduit également à nous intéresser à des problèmes très fondamentaux sur les profils de raies en absorption linéaire.

Cette thèse possède un double objectif : le premier est l'amélioration des techniques de contrôle en mécanique quantique, et plus particulièrement en RMN, grâce aux techniques du contrôle optimal géométrique. Le second consiste à étudier l'influence des singularités hamiltoniennes dans les systèmes physiques contrôlés. Le chapitre traitant du contrôle optimal étudie trois problèmes classiques en RMN : l'inversion simultanée de deux spins, l'inclusion des termes non-linéaires dans le modèle et la méthode du point fixe. Ensuite, nous appliquons le PMP au problème de transfert de population dans un système quantique à trois niveaux pour retrouver le processus STIRAP. Les deux chapitres suivants étudient les singularités hamiltoniennes. Nous montrons comment l'étude des singularités hamiltoniennes permet de contrôler la polarisation dans différentes fibres optiques. Ensuite, nous montrons l'existence d'une monodromie hamiltonienne généralisée dans le spectre vibrationnel de la molécule HOCl. Enfin, nous donnons une méthode de mesure de la monodromie hamiltonienne dynamique dans deux systèmes classiques en optique non-linéaire : le modèle de Bragg et le mélange à trois ondes.