Le déploiement de réseaux de communication quantique représente un défi auquel cette thèse apporte des solutions originales. Deux dispositifs très performants sont construits uniquement autour de composants standards de l'optique intégrée et des télécommunications optiques. Le premier correspond à un schéma de synchronisation tout optique sur longue distance à très haute cadence et de précision inégalée pour la communication sécurisée par cryptographie quantique. Le montage expérimental repose sur une configuration de relais quantique mettant en œuvre deux sources indépendantes de paires de photons intriqués dont il faut synchroniser les temps d'émissions. L’idée principale s’appuie sur l’utilisation d’un unique laser télécom picoseconde cadencé à 2.5 GHz afin de générer l’horloge et de pouvoir la distribuer efficacement aux deux sources. Nous démontrons la synchronisation de notre lien relais pour une distance effective séparant les sources de plus de 100 km. Le second dispositif correspond quant à lui à la réalisation d'une expérience de compression à une longueur d'onde des télécommunications réalisée, pour la première fois, de manière entièrement guidée. La lumière comprimée étant une ressource fondamentale dans bon nombre de protocoles d'information quantique, la réalisation de systèmes expérimentaux facilement reconfigurables et compatibles avec les réseaux télécoms fibrés existants représente une étape cruciale en vue du déploiement de dispositifs de communication quantique en régime de variables continues. Enfin, un traitement quantique des effets de gigue temporelle dans les détecteurs de photons 0N/0FF est proposé. Malgré l'importance des systèmes de détection dans les technologies quantiques photoniques émergentes, aucune modélisation quantique de leurs effets de gigue temporelle n'avait été, à notre connaissance, développé jusqu'à présent. / This thesis presents solutions to the challenges of developing quantum communication networks. Two powerful experimental devices have been set up relying only on standard telecom and integrated optical components. The first device corresponds to an all-optical synchronization scheme allowing, with an unprecedented accuracy, quantum key distribution at a high rate over long distances. The experimental scheme relies on two independent entangled photon pair sources that have to be synchronized in their emission time. Our approach is based on using a 2.5 GHz picosecond telecom laser as a master clock to efficiently synchronize the different sources. We demonstrate the synchronization for an effective distance of 100 km between sources. With our second device, we perform a squeezing experiment at telecom wavelengths and this for the first time in a fully guided-wave approach. Squeezed light being a fundamental resource for several quantum information protocols, developing plug-and-play experimental devices that are compatible with already existing telecom fiber networks is of first interest in the perspective of future quantum networks. Finally, we propose a quantum description of timing jitter effects in 0N/0FF detectors. Despite the importance of detection systems in emerging photonic quantum technologies, no quantum description of their timing jitter effects has been proposed so far.

L’expérience JEM-EUSO (traduction de Observatoire spatial de l’univers extrême à bord du module de l'expérience japonaise) est conçu pour observer les UHECR en détectant la lumière fluorescente UV émise par la gerbe qui se développe lorsque les UHECR interagissent avec l'atmosphère terrestre. Les gerbes atmosphériques sont constituées de dizaines de milliards de particules secondaires ou plus traversant l'atmosphère quasiment à la vitesse de la lumière, excitant les molécules d'azote qui émettent ensuite de la lumière dans la gamme UV. Alors que cette « technique de fluorescence » est habituellement utilisée au sol, en opérant ainsi à partir de l'espace, JEM-EUSO, pour la première fois, fournira des statistiques élevées sur ces événements. Avec un large champ de vue de ± 30 °, JEM-EUSO pourra observer depuis l’espace un volume d'atmosphère beaucoup plus grand que ce qui est possible du sol, en collectant un nombre sans précédent d'événements UHECR aux plus hautes énergies.Pour les quatre prototypes d’expériences construites par la collaboration, nous avons développé un ensemble commun d'électronique, en particulier le système central d'acquisition de données capable de fonctionner au sol, sur des ballons à haute altitude et dans l'espace.Ces expériences utilisent toutes un détecteur composé d'un module de détection de photo (PDM) identique aux 137 qui seront présents sur la surface focale JEM-EUSO. La lumière UV générée par les gerbes atmosphériques à haute énergie passe le filtre UV et frappe les tubes à photomultiplicateurs multi-anodes (MAPMT). Les photons UV sont alors transformés en électrons, qui sont multipliés par les MAPMT et le courant qu’ils créent est amplifié par des cartes ASIC de circuit intégré (EC-ASIC), qui effectuent également le comptage des photons et l'estimation de charge. Une carte FPGA nommé PDM board s'interface avec ces cartes ASIC, fournissant des paramètres d'alimentation et de configuration à ces cartes ASIC, collecte alors les données et exécute le déclenchement d’acquisition de niveau 1.Dans le cadre de ces travaux, je me suis occupée de la conception, du développement, de l'intégration et du test la carte FPGA PDM board pour les missions EUSO-TA et EUSO-Balloon ainsi que des tests d'algorithme de déclenchement autonomes d’acquisitions et j'ai également analysé les données de vol d’EUSO-Balloon et de la campagne sol EUSO-TA d’octobre 2015.Dans cette thèse, je donnerai un bref aperçu des rayons cosmiques à haute énergie, y compris de leur technique de détection et des principales expériences pour les détecter (chapitre 1), je décrirai JEM-EUSO et ses pathfinders (chapitre 2), je présenterai les détails de la conception et de la fabrication du PDM (chapitre 3) et de la carte FPGA PDM board (chapitre 4), ainsi que des tests d'intégration d’EUSO-TA et d’EUSO-Balloon (chapitre 5). Je ferai un rapport sur la campagne EUSO-Balloon de 2014 (chapitre 6) et sur ses résultats (chapitre 7), y compris une analyse spécifique développée pour rechercher des variations globales de l'émissivité UV au sol et j’appliquerai une analyse similaire aux données collectées sur le site de Telescope Array (Chapitre 8). Enfin, je présenterai la mise en œuvre et le test du déclencheur de premier niveau (L1) dans la carte de contrôle FPGA (chapitre 9). Un bref résumé de la thèse sera donné au chapitre 10. / The JEM-EUSO (Extreme Universe Space Observatory on-board the Japanese Experiment Module) international space mission is designed to observe UHECRs by detecting the UV fluorescence light emitted by the so-called Extensive Air Shower (EAS) which develop when UHECRs interact with the Earth’s atmosphere. The showers consist of tens of billions or more secondary particles crossing the atmosphere at nearly the speed of light, which excite nitrogen molecules which then emit light in the UV range. While this so-called “fluorescence technique'” is routinely used from the ground, by operating from space, JEM-EUSO will, for the first time, provide high-statistics on these events. Operating from space, with a large Field-of-View of ±30 °, allows JEM-EUSO to observe a much larger volume of atmosphere, than possible from the ground, collecting an unprecedented number of UHECR events at the highest energies.For the four pathfinder experiments built within the collaboration, we have been developing a common set of electronics, in particular the central data acquisition system, capable of operating from the ground, high altitude balloons, and space.These pathfinder experiments all use a detector consisting of one Photo-detection Modules (PDMs) identical to the 137 that will be present on the JEM-EUSO focal surface. UV light generated by high-energy particle air showers passes the UV filter and impacts the Multi-anode Photomultiplier Tubes (MAPMT). Here UV photons are converted into electrons, which are multiplied by the MAPMTs and fed into Elementary Cell Application-Specific Integrated Circuit (EC-ASIC) boards, which perform the photon counting and charge estimation. The PDM control board interfaces with these ASIC boards, providing power and configuration parameters, collecting data and performing the level 1 trigger. I was in charge of designing, developing, integrating, and testing the PDM control board for the EUSO-TA and EUSO-Balloon missions as well as the autonomous trigger algorithm testing and I also performed some analysis of the EUSO-Balloon flight data and data from the EUSO-TA October 2015 run.In this thesis, I will give a short overview of high-energy cosmic rays, including their detection technique and the leading experiments (Chapter 1), describe JEM-EUSO and its pathfinders including a description of each instrument (Chapter 2), present the details of the design and the fabrication of the PDM (Chapter 3) and PDM control board (Chapter 4), as well as the EUSO-TA and EUSO-Balloon integration tests (Chapter 5). I will report on the EUSO-Balloon campaign (Chapter 6) and results (Chapter 7), including a specific analysis developed to search for global variations of the ground UV emissivity, and apply a similar analysis to data collected at the site of Telescope Array (Chapter 8). Finally, I will present the implementation and testing of the first-level trigger (L1) within the FPGA of the PDM control board (Chapter 9). A short summary of the thesis will be given in Chapter 10.

This work describes infrared (IR) photon detector techniques based on novel semiconductor device concepts and detector designs. The aim of the investigation was to examine alternative IR detection concepts with a view to resolve some of the issues of existing IR detectors such as operating temperature and response range. Systems were fabricated to demonstrate the following IR detection concepts and determine detector parameters: (i) Near-infrared (NIR) detection based on dye-sensitization of nanostructured semiconductors, (ii) Displacement currents in semiconductor quantum dots (QDs) embedded dielectric media, (iii) Split-off band transitions in GaAs/AlGaAs heterojunction interfacial workfunction internal photoemission (HEIWIP) detectors. A far-infrared detector based on GaSb homojunction interfacial workfunction internal photoemission (HIWIP) structure is also discussed. Device concepts, detector structures, and experimental results discussed in the text are summarized below. Dye-sensitized (DS) detector structures consisting of n-TiO2/Dye/p-CuSCN heterostructures with several IR-sensitive dyes showed response peaks at 808, 812, 858, 866, 876, and 1056 nm at room temperature. The peak specific detectivity (D*) was 9.5E+10 Jones at 812 nm at room temperature. Radiation induced carrier generation alters the electronic polarizability of QDs provided the quenching of excitation is suppressed by separation of the QDs. A device constructed to illustrate this concept by embedding PbS QDs in paraffin wax showed a peak D* of 3E+8 Jones at ~540 nm at ambient temperature. A typical HEIWIP/HIWIP detector structures consist of single (or multiple) period(s) of doped emitter(s) and undoped barrier(s) which are sandwiched between two highly doped contact layers. A p-GaAs/AlGaAs HEIWIP structure showed enhanced absorption in NIR range due to heavy/light-hole band to split-off band transitions and leading to the development of GaAs based uncooled sensors for IR detection in the 2 5 μm wavelength range with a peak D* of 6.8E+5 Jones. A HIWIP detector based on p-GaSb/GaSb showed a free carrier response threshold wavelength at 97 µm (~3 THz)with a peak D* of 5.7E+11 Jones at 36 μm and 4.9 K. In this detector, a bolometric type response in the 97 - 200 µm (3-1.5 THz) range was also observed.

The work presented in this thesis investigates transitions between quantum states in superconducting double dots (SDDs), a nanoscale device consisting of two aluminium superconducting islands coupled together by a Josephson junction, with each dot connected to a normal state lead. The energy landscape consists of a two level manifold of even charge parity Cooper pair states, and continuous bands corresponding to charge states with single quasiparticles in one or both islands. These devices are fabricated using shadow mask evaporation, and are measured at sub Kelvin temperatures using a dilution refrigerator. We use radio frequency reflectometry to measure quantum capacitance, which is dependent on the quantum state of the device. We measure the quantum capacitance as a function of gate voltage, and observe capacitance maxima corresponding to the Josephson coupling between even parity states. We also perform charge sensing and detect odd parity states. These measurements support the theoretical model of the energy landscape of the SDD. By measuring the quantum capacitance in the time domain, we observe random switching of capacitance between two levels. We determine this to be the stochastic breaking and recombination of single Cooper pairs. By carrying out spectroscopy of the bath responsible for the pair breaking we attribute it to black-body radiation in the cryogenic environment. We also drive the breaking process with a continuous microwave signal, and find that the rate is linearly proportional to incident power. This suggests that a single photon process is responsible, and demonstrates the potential of the SDD as a single photon microwave detector. We investigate this mechanism further, and design an experiment in which the breaking rate is enhanced when the SDD is in the antisymmetric state rather than the symmetric state. We also measure the quantum capacitance of a charge isolated double dot. We observe 2e periodicity, indicating the tunnelling of Cooper pairs and the lack of occupation of quasiparticle states. This work is relevant to the range of experiments investigating the effect of non-equilibrium quasiparticles on the operation of superconducting qubits and other superconducting devices.