Les phénomènes quantiques ouvrent des possibilités nouvelles et révolutionnaires dans les domaines du calcul et de la cryptographie. Il est attendue, que des problèmes impossibles à résoudre avec des moyens classiques, peuvent être résolus par des ordinateurs quantiques, et la communication devient absolument sécurisée si elle est encodée dans un état de système quantique – un bit quantique. Un effort important a récemment été consacré à la recherche sur le transfert déterministe d’information entre photons et atomes, fonctionnant comme des bits quantiques volants et stationnaires respectivement. L’interaction entre ces deux composants est augmentée s’ils sont placés dans un milieu optique unidimensionnel, réalisant un système appelée “un atome 1D”. L’étude de ce milieu optique et des ses applications aux technologies quantiques constitue l’objectif de cette thèse.Tout d’abord, nous explorons l’interaction entre le champ lumineux et un atome 1D, en prenant une boîte quantique semi-conductrice dans un micropilier comme exemple. Nous étudions le contrôle cohérent de ce système avec des impulsions lumineuses afin de trouver un moyen optimal de contrôler son état, en faisant varier la puissance, la forme et la durée d’une impulsion, ainsi que la statistique de l’état quantique du champ lumineux. Nous étudions également l’impact de l’atome 1D sur l'état du champ réfléchi en fonction des paramètres du système expérimental.Nous poursuivons avec l’étude de l’état quantique du champ lumineux réfléchi, en nous concentrant sur sa pureté. C’est important pour transmettre fidèlement l’état superposition d’un bit stationnaire à un autre par la lumière, qui agit comme un bit quantique volant. Nous développons une méthode de caractérisation expérimentale de la pureté et l’appliquons à des données expérimentales, démontrant ainsi que la technologie moderne permet de créer des superpositions de haute pureté.Enfin, nous nous concentrons sur la lecture d’un qubit stationnaire basé sur un spin dans un environnement unidimensionnel. Nous étudions comment la lumière polarisée peut être utilisé pour cela, en montrant qu’il est possible de lire l’état de spin en détectant qu’un seul photon. Nous explorons différents écarts de ce régime optimal. Nous étudions également la décohérence de l’état de spin due à l’interaction avec le champ lumineux, et back-action de la mesure, montrant que l’état de spin peut être “gelé”. C’est une manifestation de l’effet Zeno quantique, qui permet la préparation du qubit dans un état arbitraire. Cela ouvre des perspectives pour la réalisation efficace de bits quantiques stationnaires basés sur des spins uniques incorporés dans un environnement électromagnétique unidimensionnel. / Quantum phenomena give rise to new and revolutionary possibilities in the fields of computation and cryptography. The problems that are unsolvable with classical means are expected to be solved by quantum computers, and communication becomes absolutely secure, if it is encoded in a state of a quantum system. A large effort has been recently paid to research of deterministic transfer of information between photons and atoms, acting as flying and stationary quantum bits respectively. The interaction between these two components is enhanced, if they are put in a unidimensional medium, realizing a so called "1D atom". The study of this specific optical medium and its applications to quantum technologies constitutes the objective of this thesis.First, we explore the light-matter interface realized as a 1D atom, with a semiconductor quantum dot in a micropillar cavity as an example. We study the coherent control of this system with light pulses in order to find an optimal way to control its state, varying the power, shape and duration of a pulse and statistics of the state of light field. We also study the impact of the 1D atom on the state of the reflected field as a function of parameters of the experimental device, describing the filtering of single photon Fock state from incident pulse.We continue with the study of the quantum state of the scattered light field, focusing on its purity. This is required to faithfully transmit the superposition state of one stationary qubit to another using light as a flying quantum bit. We develop a method to experimentally characterize the purity, and apply it to experimental data, showing that the state of art technology allows to create high-purity superpositions.Finally, we focus on the readout of a stationary qubit based on a single spin in a unidimensional environment. We study how to efficiently use polarized light for this purpose, showing that it is possible to readout the spin state, by detection of only one photon. We explore different deviations from this optimal regime. We also study the decoherence of the spin state due to interaction with the light field and the back-action of the measurement, showing that it is possible to freeze the spin state due to the quantum Zeno effect, which allows the preparation of the qubit, based on it, in an arbitrary superposition state. This opens perspectives towards efficient realization of stationary quantum bits based on single spins embedded in unidimensional electromagnetic environment.

Investigamos o emaranhamento gerado pelo oscilador paramétrico ´otico (OPO) operando acima do limiar. Mostramos que o sistema tripartite, preparado diretamente usando o OPO e formado pelos feixes gêmeos e pelo campo de bombeio refletido, ´e inseparável. Esta foi a primeira observação de emaranhamento entre três frequências distintas de luz. Também investigamos a dinâmica deste emaranhamento sob a ac¸ ao de perdas por transmissão. Dependendo da região de potência do campo de bombeio, pudemos preparar estados tripartites cujo emaranhamento inicial entre bombeio e feixes gêmeos se mantém ou ´e perdido após a atenuação dos mesmos. Estendemos o estudo para o sistema bipartite formado pelos feixes gêmeos. Neste sistema mais simples, pudemos investigar em detalhes a robustez do emaranhamento e as condições nas quais o emaranhamento se torna frágil. Também conduzimos um estudo teórico e derivamos uma condição suficiente para que um estado emaranhado formado por dois modos seja robusto frente a perdas. Esta condição se torna necessária para estados gaussianos e nos permite traçar uma fronteira no espaço de estados emaranhados que separa os estados robustos dos frágeis. Estudamos em mais detalhes o processo de medição de flutuações de intensidades no domínio da frequência. As flutuações na intensidade são convertidas para frequências de rádio, com banda limitada pela detecção. Isto se reflete no fato de que cada componente de frequência da fotocorrente contém a informação referente a dois modos do campo eletromagnético, as chamadas bandas laterais. Isto faz com que cada campo de luz que descrevemos seja de fato formado por dois modos, fazendo o nosso sistema mais rico. Demonstramos que o sistema hexapartite gerado pelo OPO, e formado pelas duas bandas laterais de cada um dos campos, é inseparável. Também descrevemos as condições dentro das quais a aproximação de um modo por campo, utilizada nos nossos outros trabalhos e por quase toda a comunidade, ´e válida. Mostramos também que a detecção com cavidades ´e capaz de caracterizar completamente o sistema gaussiano formado pelas duas bandas laterais de cada campo e que a detecção homodina, o método mais usado para caracterizar o estado quântico em variáveis contínuas, falha em medir todas as correlações presentes no sistema bimodal. / We investigate the entanglement generated by an optical parametric oscillator (OPO) operating above threshold. We showed that the tripartite system, prepared directly from the OPO and composed by the twin beams and the reflected pump field, is completely inseparable. This was the first observation of entanglement between three di_erent frequencies of light. We also investigated the dynamics of entanglement under transmission losses. Depending on the injected pump power, we were able to prepare states with tripartite entanglement between the initial pump and twin beams that was maintained or lost after transmission losses. We extended the study to the bipartite system formed by the twin beams. In this simpler system, we investigated in more detail the robustness of entanglement and the conditions under which the entanglement becomes fragile. We also conducted a heoretical study and derived a suficient condition for the entangled state formed by two modes to be robust against losses. This condition also become necessary for Gaussian states. We also studied the measurement process of intensity fluctuations in the frequency domain. The fluctuations are converted to the radiofrequency range, with bandwidth limited by the detector. This is also reflected in the fact that each frequency component, , of the photocurrent contains the information relative to the two modes of the electromagnetic field equally spaced from its center frequency, the sidebands. Therefore each light beam we describe is actually composed by two modes, making our system more rich. We were able to demonstrate that this hexapartite system generated by our OPO, and composed by the two sidebands of each field, is completely inseparable. We also described under which conditions the approximation of one mode per field, used in our prior work and for almost the entire community, is valid. We also showed that resonator detection is able to completely characterize the system composed by the two sidebands of each field if the state is Gaussian and that homodyne detection, the method used to characterize the quantum state for continuous variables, fails to measure all correlations present in this bimodal system.

O fenômeno da superradiância é caracterizado por um processo de ordenamento das transições dos dipolos atômicos em amostras excitadas, moderadamente densas, decorrente das correlações induzidas entre os átomos desenvolvidas pela radiação coerente emitida pelos próprios átomos. O processo superradiante que é iniciado a partir de uma total desordem em t = 0 atinge um ordenamento máximo em um tempo τ α N-1, gerando um pulso de radiação de intensidade seguindo a lei do sech2 e com pico proporcional à N2, e em seguida os dipolos relaxam para um equilíbrio desordenado. Neste trabalho, tratamos a interação de dois modos de uma cavidade, ωa e ωb, e uma amplificação, com um sistema de N átomos de dois níveis, com frequência de transição atômica ω0 de forma que interaja ressonantemente com ωa e dispersivamente com ωb, responsável pelo acoplamento entre os átomos. Para enterdemos como a lei do sech2 será afetada pela interação direta entre os átomos, utilizamos o método das perturbações via de pequenas rotações não-lineares para obtermos o hamiltoniano efetivo do sistema com uma forma mais explícita da interação dipolar entre os átomos. Por fim, após escrevermos a equação mestra do sistema, utilizamos a aproximação de campo médio e o método dos invariantes de Lewis-Riesenfeld para chegar aos principais aspectos deste fenômeno no sistema. / The superradiant phenomena is characterized by atomic dipoles ordering process in excited samples moderately denses, that occours due to the atomic induced correlations developed not directly but by the coherent radiation emitted by atoms themselves. The superradiant process evolves from a total disorder at t = 0, attain a maximum order in a time τ α N-1 creating a radiation pulse whose intensity follows the sech2 law and its peak is proportional to N2, thereafter the dipoles relax to a disordered equilibrium state. In this essay, we deal with the interaction between two cavity modes ωa and ωb and a classical pump with a system of N two-level atoms, whose atomic transition frequencies ω0. We consider a resonant interaction between atoms and mode ωa and a dispersive coupling of atoms with mode ωb, which couple the atomic sample, and the classical pump. In order to obtain how sech2 law changes, we use the method of nonlinear small rotations to obtain effective Hamiltonian, expliciting dipolar interaction between atoms. Finally, after write the effective master equation, we use the mean-field approximation and Lewis and Riesenfeld method to obtain the mean features of this phenomena to our system.

Propomos um esquema inovador para o teletransporte em variáveis contínuas usando um OPO, oscilador paramétrico ótico, como fonte de estados emaranhados e desenvolvemos a instrumentação necessária para implementá-lo. O OPO é utilizado em um regime de operação onde dois feixes de comprimentos de onda distintos são produzidos, o que permitirá que o estado de uma dada cor seja aniquilado e que sua recriação seja em uma cor diferente. A realização dessa proposta permite teletransportar estados quânticos da luz entre cores distintas do espectro eletromagnético. Devido a sintonizabilidade do OPO, será possível a comunicação quântica entre diferentes tipos de sistemas que servirão como elementos de processamento na manipulação da informação quântica. A fidelidade deste processo é tanto maior quanto maior for o emaranhamento do par empregado, dessa forma, o maior desafio para a realização do teletransporte é justamente a construção de um canal quântico com o maior nível de emaranhamento possível experimentalmente. Várias tentativas de construção do canal quântico foram feitas, porém nenhuma delas apresentou-se, até o momento, adequada para a realização com sucesso do protocolo. Em uma das tentativas, um OPO duplamente ressonante, alcançou-se uma compressão de ruído de intensidade, nunca antes medida na história do nosso laboratório, porém o excesso de ruído de fase medido, originado do laser, degradou o emaranhamento, impossibilitando o prosseguimento da montagem. Atualmente, estamos investindo em um OPO triplamente ressonante como provável canal quântico do nosso protocolo. Medidas preliminares de emaranhamento desse novo OPO foram realizadas, entretanto ainda não se mostrou suficiente para o teletransporte. / This work has aimed to implement and develop the instrumentation needed in an innovative approach of the teleportation in continuous variables using an OPO, optical parametric oscillator, as source of entangled states. OPO is used in a type of operation where two intense beams of different wavelengths are produced. It allows that the state of a given color is annihilated and reconstructed in a different color. The realization of the bicolor teleportation will make possible the interaction of fields with other entanglement experiments such atoms that operate at different frequencies. Due to the tunable OPO, quantum communication between different types of systems, which serve as processing elements in the manipulation of quantum information, will be possible. The protocol\'s fidelity depends on the level of entanglement between the beams so the greatest challenge of our set up is the construction of a quantum channel with the highest level of entanglement experimentally achieved. Several attempts of quantum channel were constructed, but none of them appeared suitable for carrying out successfully the protocol. In one of the attempts, a doubly resonant OPO reached a intensity noise compression that has never been measured in the history of our laboratory but the excess phase noise measured, originated from the commercial laser, degraded entanglement and prevented the continuation of the set up. We are working now with a triply resonant OPO as a probable quantum channel of the protocol. Preliminary measurements of entanglement of this new OPO were done, although it still was not enough to implement teleportation.

Quantum information processing (QIP) is an interdisciplinary field concerned with the development of computers and information processing systems that utilize quantum mechanical properties of nature to carry out their function. QIP systems have become vastly more practical since the turn of the century. Today, QIP applications span imaging, cryptographic security, computation, and simulation (quantum systems that mimic other quantum systems). Many important strategies improve quantum versions of classical information system hardware, such as single photon detectors and quantum repeaters. Another more abstract strategy engineers high-dimensional quantum state spaces, so that each successful event carries more information than traditional two-level systems allow. Photonic states in particular bring the added advantages of weak environmental coupling and data transmission near the speed of light, allowing for simpler control and lower system design complexity. In this dissertation, numerous novel, scalable designs for practical high-dimensional linear-optical QIP systems are presented. First, a correlated photon imaging scheme using orbital angular momentum (OAM) states to detect rotational symmetries in objects using measurements, as well as building images out of those interactions is reported. Then, a statistical detection method using chains of OAM superpositions distributed according to the Fibonacci sequence is established and expanded upon. It is shown that the approach gives rise to schemes for sorting, detecting, and generating the recursively defined high-dimensional states on which some quantum cryptographic protocols depend. Finally, an ongoing study based on a generalization of the standard optical multiport for applications in quantum computation and simulation is reported upon. The architecture allows photons to reverse momentum inside the device. This in turn enables realistic implementation of controllable linear-optical scattering vertices for carrying out quantum walks on arbitrary graph structures, a powerful tool for any quantum computer. It is shown that the novel architecture provides new, efficient capabilities for the optical quantum simulation of Hamiltonians and topologically protected states. Further, these simulations use exponentially fewer resources than feedforward techniques, scale linearly to higher-dimensional systems, and use only linear optics, thus offering a concrete experimentally achievable implementation of graphical models of discrete-time quantum systems.

Nous présentons dans ce mémoire deux travaux expérimentaux basés sur la formation d'images jumelles par des photons jumeaux : la mise en évidence d'un paradoxe de Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) sur des paires uniques d'images jumelles, et la réalisation d'une expérience d'imagerie fantôme temporelle quantique. Les photons intriqués générés par amplifications paramétrique du bruit quantique permettent la formation d'images à la distribution de photons analogue dans le plan image, et symétrique dans le plan de Fourier : les images jumelles. Dans un premier chapitre nous proposons une description préalable de ces images jumelles, basée sur l'étude des propriétés des faisceaux jumeaux, ainsi que leur acquisition par des caméras EMCCD dans un régime de comptage de photons. Dans le second chapitre, nous mettons en évidence un paradoxe EPR sur des paires uniques d'images jumelles, sans aucun recours à des moyennes temporelles ou propriétés issues de l'ensemble des images. Nous montrons que les intercorrélations de seules deux paires d'images jumelles, l'une acquises dans le plan image et l'autre dans le plan de Fourier, sont suffisantes pour obtenir un degré de paradoxe élevé.Dans le dernier chapitre, nous montrons une expérience d'imagerie fantôme temporelle quantique. Dans cette expérience, les images jumelles sont utilisées pour multiplexer spatialement un signal temporel non répétable. Lorsque l'acquisition de ce signal cause la perte de sa résolution temporelle, les corrélations dues aux photons jumeaux permettent sa reconstitution. / We present in this thesis two experimental works based on the formation of twin images by twin photons : evidence of Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) paradox on single pairs of twin images, and the demonstration of quantum temporal ghost imaging.Entangled photons generated by spontaneous parametric down conversion are used to generate images with a similar distribution of photons in the image plane, or symmetrical in the Fourier plane: the twin images. In a first chapter, we propose a description of the twin images, based on the study of the properties of twin beams, and their acquisition by EMCCD cameras in the photon counting regime.In the second chapter we provide a test of the EPR paradox in single pairs of twin images, without any temporal averaging or properties issued of a set of several images. We show that the intercorrelations of only two pairs of twin images, the first one acquired in the image plane and the other one in the Fourier plane, are sufficient to obtain a high degree of paradox.In the last chapter, we show an experiment of quantum temporal ghost imaging. In this experiment, twin images are used to spatially multiplex a nonreproducible time signal. Although it is acquired without temporal resolution, the photons correlations allow its retrieval.

<div>Miniaturization of optical components with low power consumption fabricated using a CMOS foundry process can pave the way for dense photonic integrated circuits and on-chip quantum information processing. Optical waveguides, modulators/switches, and single-photon detectors are the key components in any photonic circuits, and miniaturizing them is challenging. This requires strong control of evanescent waves to reduce the cross-talk and bending loss as well as low mode volumes to increase light-matter interaction.</div><div><br></div><div><div>In this thesis, we propose a paradigm shift in light connement strategy using transparent all-dielectric metamaterials. Our approach relies on controlling the optical</div><div>momentum of evanescent waves, an important electromagnetic property overlooked in photonic devices. For practical applications, we experimentally demonstrate</div><div>photonic skin-depth engineering on a silicon chip to conne light and to reduce the cross-talk and bending loss in a dense photonic integrated circuit.</div></div><div><br></div><div><div>We demonstrate that due to the strong light connement in the proposed waveguides, it is possible to miniaturize and integrate superconducting nanowire singlephoton detectors (SNSPDs) into a silicon chip. The timing jitter and dark-count</div><div>rate in these miniaturized SNSPDs can be considerably reduced. Here, we propose a theoretical model to understand the fundamental limits of these nanoscale SNSPDs and the trade-off between timing jitter, dark-count, and quantum effciency in these detectors. We propose experimental tests to verify the validity of our model.</div></div><div><br></div><div><div>Switching/modulating cavity Purcell factor on-chip is challenging, so we have proposed a nonlinear approach to switch Purcell factors in epsilon near zero (ENZ) materials. We demonstrate fourfold change in the Purcell factor with a switching time of 50 fs. The work in this thesis can lead to a unique platform for on-chip quantum nanophotonics.</div></div>

L'évolution des technologies liées aux semi-conducteurs a amené à l'étude de la cohérence des Bits Quantiques (Qbits) dans l'objectif de réduction de la taille des composants. A l'aide de la spectroscopie cohérente non-linéaire, j'ai pu étudier les propriétés de cohérences des excitons confinés dans des boites quantiques (BQ), eux-même intégrées dans différentes nano-structures. L'intérêt des nano-structures est d'augmenter le ratio signal-sur-bruit, indispensable dans notre expérience. L'utilisation des nano-structures est aussi indispensable dans l'objectif de la mise en place d'un couplage radiatif à longue distance entre 2 BQs. Il fut tout d'abord nécessaire de caractériser des nano-structures déterministes permettant d'augmenter le rendement d 'échantillons utilisables en conservant l'intensité de signal émit par les BQs. De plus, j'ai développé mon expérience afin d'affiner notre capacité d'étudier le couplage proches entre BQs intégrées dans une micro-cavité. Ensuite Nous avons testé plusieurs formes de nano-structures 1D (trompettes et ridges) afin de d'amplifier le couplage à longue distance et et comprendre les obstacles auxquels nous auront à faire face . Enfin une caractérisation de nouveaux matériaux 2D fut réalisée, en vue de d'améliorer notre compréhension des dynamiques des excitons dans ce type de matériaux. / The evolution of technologies related to semiconductors has led to the study of the coherence of Quantum Bits (Qbits) in order to reduce the size of the components. Using nonlinear coherent spectroscopy, I was able to study the coherence properties of excitons confined in quantum dots (BQs), themselves integrated into different nano-structures. The interest of nanostructures is to increase the signal-to-noise ratio, essential in our experience. The use of nano-structures is also essential for the purpose of setting up a long-distance radiative coupling between 2 BQs.First of all, it was necessary to characterize deterministic nano-structures that make it possible to increase the yield of usable samples by preserving the signal intensity emitted by the BQs. In addition, I developed my experience to refine our ability to study close-coupling between BQs embedded in a micro-cavity. Then we tested several forms of 1D nano-structures (trumpets and ridges) in order to amplify the long-distance coupling and to understand the obstacles we will have to face. Finally a characterization of new 2D materials was realized, in order to improve our understanding of exciton dynamics in this type of materials.

Les états quantiques multimodes sont au coeur des protocoles detraitement quantique de l’information et de métrologie quantique. Àpartir d’un peigne de fréquence optique injectant un oscillateurparamétrique optique pompé en mode synchrone (SPOPO) nousavons généré des états multimodes en temps/fréquence. Unsimulateur quantique est alors mis en place à partir de ce SPOPO et demise en forme d’impulsion, et permet de mettre en évidence de étatsclusters pouvant compter jusque 12 noeuds et un protocole departage de secret quantique à six partenaires. De plus, une détectionmultipixel résolue en fréquence est développée et utilisée pourréaliser un état cluster linéaire à 8 noeuds. Nous avons égalementutilisé cette source pour développer un spectromètre ayant unesensibilité allant au delà de celle imposée par les fluctuations du videquantique. / Multimode squeezing plays an essential role in quantum informationprocessing and quantum metrology. Using optical frequency combs,we generate multi-temporal-mode state from a synchronouslypumped optical parametric oscillator (SPOPO). An on-demandquantum network simulator is developed using the SPOPO andultrafast pulse shaping; up-to-twelve-node cluster states and asix-partite quantum secret sharing protocol are experimentallyemulated with this simulator. Furthermore, frequency resolvedmultipixel detectors are employed, and used to realize aline-shape-eight-node cluster state. We also developed a multimodequantum spectrometer, which is able to exceed the standardquantum limit for measuring manifold parameters of ultrafast pulses.

La physique quantique fut introduite au début du 20e siècle. Elle apporte une nouvelle description du monde qui nous entoure et en particulier de ce qu'on appelle le monde de l'infiniment petit. Cette nouvelle théorie permet une description adéquate notamment de l'effet photoélectrique, des niveaux énergétiques des atomes, des réactions nucléaires, ... Elle apporte également une réponse à de nombreuses problématiques telles que la catastrophe ultraviolette. Néanmoins aussi séduisante que soit cette théorie, les prédictions pour le moins contre-intuitives qu'elle apporte, amène rapidement la controverse. Par exemple, en 1935, A. Einstein, B. Podolski et N. Rosen en arrivent à mettre en doute la physique quantique à cause d'une particularité que l'on y rencontre, à savoir l'enchevêtrement. Il s'en suit le célèbre débat avec N. Bohr et l'école de Copenhagen. Parmi les autres aspects propres au monde quantique on peut encore citer la superposition des états, le postulat de la mesure, le principe d'incertitude d'Heisenberg, la dualité onde-corpuscule, le théorème de non clonage, ... Toutes ces spécificités font de la physique quantique un monde passionnant dans lequel, à l'instar du pays des merveilles d'Alice, l'intuition est souvent dépassée. Cette thèse est le fruit de quatre années de travail au cours desquelles nous avons tenté d'observer et d'étudier certains des effets intrigants que nous propose la physique quantique. Plus précisément nous avons utilisé des états particuliers de la lumière afin d'explorer une partie de ce qu'on appelle l'optique quantique. Dans un premier temps nous nous sommes intéressés aux possibilités offertes par l'utilisation d'états cohérents de la lumière. En utilisant ces états particuliers nous nous sommes penchés sur l'étude ainsi que sur la réalisation expérimentale d'une tâche qui se révèle impossible classiquement sans hypothèse computationelle. Cette tâche consiste à réaliser un pile ou face entre deux joueurs éloignés l'un de l'autre, par exemple deux joueurs communiquant par téléphone. En effet, classiquement, un des deux joueurs pourra toujours tricher de manière à avoir 100% de chance de gagner le pile ou face. Au contraire, si on utilise les ressources offertes par la communication quantique, il est possible de construire des protocoles ne permettant plus à aucun des deux joueurs de tricher parfaitement et ce, sans aucune hypothèse supplémentaire. Même si aucun protocole quantique ne peut empêcher totalement toute tricherie, leur démonstration constitue une preuve de principe quant aux possibilités offertes par la physique quantique dans la réalisation de tâches classiquement impossibles. Lors de notre étude du problème, nous avons développé un protocole de pile ou face quantique et étudié ses performances. Nous avons montré que les tentatives de tricherie des deux joueurs avaient une probabilité de succès limitée à 99,7%<100% (biais inférieur à 0,497). L'originalité de cette étude se situe dans le fait que les imperfections expérimentales (efficacité des détecteurs, pertes de transmission, visibilité réduite, ...) furent prises en compte, ce qui à notre connaissance n'avait jamais été réalisé. En outre nous avons réalisé une implémentation en optique fibrée de notre protocole et démontré la réalisation d'un pile ou face unique au cours duquel aucun des deux joueurs ne pouvait influencer parfaitement le résultat, ce qui à notre connaissance n'avait également jamais été démontré. L'emploi d'états cohérents de la lumière fortement atténués nous a donc permis de concevoir un protocole de pile ou face quantique et de réaliser une démonstration expérimentale en optique fibrée, d'une tâche impossible à réaliser classiquement. Après avoir travaillé avec des états cohérents fortement atténués, nous nous sommes intéressés à un autre état quantique de la lumière, à savoir les paires de photons. Ces états constituent non seulement une ressource essentielle pour sonder les effets quantiques de la lumière mais également une ressource incontournable pour l'information et la communication quantique. Nous nous sommes donc attelés à la réalisation d'une source produisant ces paires de photons. Les premières sources de paires de photons furent basées sur l'utilisation de cristaux dans lesquels il existe une interaction non linéaire entre la lumière et le matériau du cristal. Malheureusement le désavantage majeur de ces sources est la difficulté à collecter les paires de photons générées. Nous avons donc étudié la possibilité de générer des paires de photons directement dans une fibre optique, la collection des paires y étant réalisée de facto. La première solution que nous avons envisagée consiste à utiliser la non-linéarité du troisième ordre de la silice composant les fibres optiques. Plus précisément le phénomène utilisé est appelé l'instabilité de modulation. Ce phénomène permet de détruire deux photons de pompe afin de générer une paire de photons vérifiant les conservations de l'énergie et de l'impulsion. En outre nous avons choisi d'utiliser une fibre optique microstructurée. Ces fibres permettent en effet un plus grand confinement de la lumière que les fibres standards. Il en résulte une interaction non linéaire plus importante, permettant ainsi de générer des paires de photons de manière plus efficace. La fibre utilisée est en outre biréfringente, ce qui permet d'avoir accès à deux types particuliers d'instabilité de modulation: l'instabilité scalaire et l'instabilité vectorielle. Dans un premier temps, nous avons observé le processus d'instabilité de modulation dans un régime classique. Les paramètres particuliers de notre fibre microstructurée - forte dispersion anormale et biréfringence modérée - nous ont permis d'observer un régime d'instabilité dans lequel l'instabilité de modulation vectorielle se produit à des fréquences proches de la fréquence de pompe ($Omegasim 1$THz). Il en résulte que les bandes de gain liées à l'instabilité de modulation vectorielle sont très proches des bandes de gain liées à l'instabilité de modulation scalaire. Nous avons observé que dans ce régime particulier, les densités d'énergie générées par instabilité de modulation vectorielle sont supérieures à celles générées par instabilité de modulation scalaire. A notre connaissance, il s'agit de la première observation expérimentale permettant de mettre en évidence un gain vectoriel supérieur au gain scalaire. La génération de paires de photons grâce à ce processus nécessite de diminuer la puissance de pompe envoyée dans la fibre. Malheureusement nous avons mesuré que dans ce régime de faible puissance (régime quantique), la qualité des paires de photons générées était fortement dégradée par la présence de photons parasites générés par diffusion Raman spontanée. Nous avons estimé que lorsque la puissance de pompe est abaissée suffisamment pour générer en moyenne 0,1~photons dans la bande de gain d'instabilité de modulation vectorielle ($sim$1543 nm), environ 75% des photons détectés auront été générés par diffusion Raman spontanée. Afin de mettre en oeuvre des expériences d'optique quantique utilisant des paires de photons, des solutions doivent donc être appliquées à notre source afin de réduire le nombre de photons générés par diffusion Raman spontanée. Parmi ces solutions nous pouvons citer la discrimination en polarisation des photons générés ainsi que le refroidissement de la fibre grâce à de l'azote liquide. Ces solutions permettraient de réduire le nombre de photons Raman anti-Stokes d'un facteur 18 et le nombre de photons Raman Stokes d'un facteur 4. Malheureusement la tenue de la fibre microstructurée à de très basses températures reste incertaine et l'implémentation de ces solutions rendrait la source difficilement utilisable. Notre première tentative pour générer des paires de photons dans une fibre optique nous a montré que les paires de photons générées grâce à un processus d'interaction non linéaire du troisième ordre étaient polluées par des photons générés par diffusion Raman spontanée. Une source de paires de photons efficace ne pouvait donc pas être obtenue sans l'aide de solutions technologiques assez lourdes à mettre en oeuvre. Nous avons donc investigué une deuxième solution afin de réaliser une source produisant des paires de photons dans une fibre optique. Puisque les non-linéarités du troisième ordre semblent être peu adaptées pour la génération de paires de photons, nous sommes revenus à une non-linéarité du second ordre. Dans ces processus c'est un photon de pompe qui est détruit afin de générer une paire de photons, tout en respectant les conservations de l'énergie et de l'impulsion. Malheureusement les fibres optiques ne permettent pas l'apparition de non-linéarités du second ordre et ce, à cause de la centrosymétrie macroscopique du verre de silice qui compose ces fibres. Afin d'induire une non-linéarité du second ordre dans une fibre optique nous avons travaillé en collaboration avec l'équipe du Prof. P. G. Kazansky de l'université de Southampton. En utilisant les techniques de poling thermique et d'effacement par illumination UV, ils réalisèrent une fibre optique twin-hole périodiquement polée dans laquelle les non-linéarités du second ordre furent possibles. Grâce à cette fibre nous avons réalisé une source de paires de photons combinant les avantages des effets non linéaires du second ordre, i.e. la puissance de pompe nécessaire est moindre que dans le cas d'une non-linéarité du troisième ordre, la diffusion Raman spontanée n'influence aucunement les paires de photons générées, et les avantages de la fibre optique, i.e. la collection des paires de photons y est réalisée de facto, le mode spatial transverse des paires de photons est bien défini. La mesure du pic de coïncidences de notre source fournit un rapport entre le sommet du pic et le niveau des coïncidences accidentelles de 7,5. Une efficacité conversion $P_s/P_p=1,2,10^{-11}$ fut obtenue en utilisant 43~mW de puissance de pompe. En outre les paires de photons générées possèdent une longueur d'onde de 1556~nm se trouvant ainsi dans la bande C des télécommunications optiques (1530-1565~nm). Elles sont donc bien adaptées à une éventuelle application en communication quantique, dans les réseaux de fibres optiques actuellement utilisés pour les télécommunications optiques. Enfin nous avons utilisé ces paires de photons afin de réaliser l'expérience de Hong-Ou-Mandel permettant de mettre en évidence un effet propre à la physique quantique, à savoir le photon bunching. Une visibilité nette de 40% fut obtenue pour le Mandel dip dans une configuration où la visibilité maximale vaut 50%. En outre cette expérience nous a permis de développer une expertise dans la réalisation d'interféromètres fibrés, stabilisés et contrôlés en température. La source de paires de photons que nous avons réalisée constitue une démonstration de principe quant à la faisabilité d'une telle source. A l'époque de ce travail, la fibre dont nous disposions était l'une des premières fibres twin-hole périodiquement polées. Aujourd'hui de nombreux paramètres de la fibre ont été améliorés et permettent la réalisation d'une source de paires de photons tout à fait compétitive avec les autres sources existantes. Ainsi l'équipe du Prof. Kazansky est capable de réaliser des fibres périodiquement polées de 20 cm de long possédant une efficacité de conversion normalisée de seconde harmonique de $eta_{SH}=8;10^{-2}$\%/W. Si l'on suppose toujours une puissance de pompe de 43 mW, cela mène à une efficacité de conversion de $1,0;10^{-9}$ pour le processus de fluorescence paramétrique, soit une amélioration de deux ordres de grandeurs par rapport à notre démonstration. La réalisation d'une source de paires de photons dans une fibre optique périodiquement polée qui serait non seulement utilisable dans des expériences de physique fondamentale mais également dans des applications en communication quantique, est donc tout à fait envisageable dans un futur proche. Pour résumer, nous avons, au cours de cette thèse, réalisé, dans un premier temps, la tâche classiquement impossible qui consiste à jouer à pile ou face à distance. Ensuite dans l'optique de générer des paires de photons, nous avons étudié le processus d'instabilité de modulation dans une fibre microstructurée. Nous avons ainsi observé un régime particulier dans lequel l'instabilité de modulation vectorielle possède un gain supérieur à celui de l'instabilité de modulation scalaire. Enfin toujours en quête d'une source de paires de photons, nous avons réalisé une source produisant des paires de photons par fluorescence paramétrique dégénérée au sein d'une fibre optique twin-hole périodiquement polée. Les trois principaux sujets abordés au cours de cette thèse ont donc en commun l'utilisation de l'optique fibrée pour la manipulation ou la génération d'états quantiques de la lumière. Il en a résulté l'obtention de trois résultats originaux qui nous ont ainsi permis d'explorer une partie du monde intrigant et fascinant de l'optique quantique. / Quantum physics was introduced early in the 20th century. It brings a whole new description of our world, mostly at the microscopic level. Since then, this new theory has allowed one to explain and describe lots of physical features like the photoelectric effect, the energy levels of atoms, nuclear reactions, ... It also brought an answer to lots of remaining unanswered questions like the so-called ultraviolet catastrophe. Though, as attractive as this new theory was at that time, some of its counter-intuitive predictions quickly gave rise to controversy. For instance, in 1935, due to one quantum physics feature called entanglement, A. Einstein, B. Podolski and N. Rosen asked the question: "Can quantum-mechanical description of physical reality be considered complete?". This led to the famous debate with N. Bohr and his Copenhagen interpretation. Amongst other particular features of quantum physics one can cite: the superposition principle, the wave function collapse, the Heisenberg uncertainty principle, the wave-particle duality, the no-cloning theorem, ... As in Alice in wonderland, all those features actually make quantum physics a fascinating world where intuition is most of the time useless. In this thesis we tried to observe and study some of the intriguing features of quantum physics. More precisely we tried to use specific light states to explore part of what is called quantum optics. First we studied the use of coherent states of light to perform tasks you can not perform using classical physics. For instance in 1984, Ch. Bennett and G. Brassard proposed the first quantum cryptography protocol which has an absolute security while classical protocol security still relies on some computational assumptions (the assumption is that today computers computational power is not sufficient to threaten the security of classical protocols. Though this means that classical protocols are not intrinsically secure). Since then quantum physics has been proven useful to perform lots of classically impossible tasks like bit commitment, quantum computation, random number generation, ... In this work we were interested in the problem of coin tossing by telephone introduced by M. Blum in 1981. In this problem two untrustful and distant players try to perform a coin flip. Classically one can show that, if no computational assumptions are made, one of the players can always force the outcome of the coin flip. On the opposite if one uses quantum communication resources, a protocol in which none of the players can cheat perfectly can be built, i.e. none of the players have 100\% chance of winning the protocol even by using the best possible cheating strategy. Moreover this is possible without any other assumption than the validity of the laws of physics. Though a quantum protocol for coin tossing can not completely prevent from cheating, the demonstration of such a protocol would be a proof of principle of the potential of quantum communication to implement classically impossible tasks. In our work, we have developed a quantum coin tossing protocol and studied its performances. We have shown that the success cheating probability of the players is bounded by 99,7%<100%, which is better than what is achieved in any classical protocol. One of the originalities of our work is that, for the first time to our knowledge, experimental imperfections (detectors efficiency, losses, limited interference visibility, ...) have been taken into account in the theoretical analysis. Moreover, using coherent states of light, we have demonstrated a fiber optic experimental implementation of our protocol and performed a single coin flip where none of the two players could perfectly influence the outcome. This is to our knowledge the first experimental demonstration of single quantum coin tossing. After coherent states of light, we wanted to work with a more complex quantum state: photon pairs. Not only those states are useful for fundamental physics tests but they also are an important resource for quantum communication. For those reasons our first objective was to build a source that would generate those photon pairs. First photon pairs sources were based on bulk nonlinear crystals. Unfortunately the main drawback of those sources is the low collection efficiency of the generated photon pairs. That's why we investigated the possibility of generating the photon pairs directly in a waveguiding structure where they would be readily collected. The first solution that we envisaged was to use the natural third order nonlinearity of silica fibers. More precisely the phenomenon we wanted to used is called modulation instability. In this process, two pump photons are destroyed and a photon pair is created with energy and momentum conservations. Moreover we decided to use this process in a photonic crystal fiber. The high confinement of light in this kind of fiber allows a higher nonlinearity and thus a more efficient generation of photon pairs. Finally the fiber we used was birefringent which enables both vectorial and scalar modulation instability to occur. As a first experiment, we decided to observe modulation instability in a classical regime where a lot of photons are created. The specific parameters of our photonic crystal fiber - high anomalous dispersion and moderate birefringence - allowed us to observe a regime where the vectorial instability gain band has a similar detuning from the pump as the scalar instability gain band. In this regime we also observed an enhancement of the vectorial gain above the scalar gain which has been confirmed theoretically. To our knowledge this was the first experimental observation of this particular regime of instability. To generate photon pairs with this instability process we need to lower down the pump power. Unfortunately we measured that, when pump power was sufficiently lowered to generate ~0,1 photon pairs per pump pulse sent in the fiber, about 75% of generated photons were created by spontaneous Raman scattering and not modulation instability. In order to build an efficient photon pair source, some technological solutions have to be found to reduce the number of photons generated by spontaneous Raman scattering. Amongst those solutions, one can cite polarization discrimination of the generated photons and cooling of the fiber with liquid nitrogen. Using those solutions one could hope to reduce anti-Stokes Raman photon and Stokes Raman photon by respectively a factor 18 and 4. Unfortunately the main concern is how the photonic crystal fiber will react to very low temperatures. So even if technological solutions exist to build a photon pair source based on modulation instability in photonic crystal fiber, those seem to be really hard to implement. Moreover such a photon pair source would be very inconvenient to use in any quantum applications. So our first attempt to build a fiber photon pair source showed that photon pairs generated by a third order nonlinearity were polluted by photons generated by spontaneous Raman scattering. Such an efficient source couldn't be realized without heavy technological solutions. We have thus investigated another solution to generate photon pairs in an optical fiber. As third order nonlinearities don't seem to be suitable, we decided to go back to a second order nonlinearity. In this process one photon from the pump is destroyed to create a photon pair with energy and momentum conservations. Unfortunately the macroscopic centro-symetry of silica glass prevents those second order nonlinearities to occur in optical fibers. In order to enable second order nonlinearities in silica optical fiber, we worked with the team of Prof. P. G. Kazansky from the Optoelectronics Research Center of the university of Southampton. By using thermal poling and UV erasure technics, they were able to induce a second order nonlinearity in a twin-hole optical fiber. Thanks to 8 cm of periodically poled twin-hole fiber, were able to build a fiber photon pair source combining advantages of a second order nonlinearity (less pump power needed than for a third order nonlinearity, no influence of Raman photons) and of the fiber waveguiding structure (photon pairs readily collected, transverse spatial mode of the photon pairs well defined). A coincidence measurement was performed resulting in a coincidence peak with a 7,5 ratio between the peak and the accidental coincidences level. A conversion efficiency $P_s/P_p=1,2,10^{-11}$ was obtained using 43 mW of pump power. Moreover photon pairs were generated around 1556~nm in the optical communications C-band, which makes them suitable for quantum communication applications using installed fiber optic networks. Finally using the generated photon pairs we performed the Hong-Ou-Mandel experiment highlighting the bosonic nature of photons. We obtained a Mandel dip with a net visibility of 40% in a configuration where the maximum visibility is 50%. The photon pair source that we realized is a proof of principle of the high potential of poled fibers in quantum applications. Indeed today, Prof. P. G. Kazansky's team is able to make a 20 cm poled fiber with a nonlinearity $eta_{SH}=8;10^{-2}$\%/W. If we still suppose 43~mW of pump power, this leads to a $1,0;10^{-9}$ conversion efficiency for parametric fluorescence, improving our result by two orders of magnitude. The realization of an efficient photon pair source based on parametric fluorescence in periodically poled twin-hole fiber suitable for quantum applications is thus absolutely possible in a very near future.