In this thesis we study the information transmission through Gaussian quantum channels. Gaussian quantum channels model physical communication links, such as free space communication or optical fibers and therefore, may be considered as the most relevant quantum channels. One of the central characteristics of any communication channel is its capacity. In this work we are interested in the classical capacity, which is the maximal number of bits that can be reliably transmitted per channel use. An important lower bound on the classical capacity is given by the Gaussian capacity, which is the maximal transmission rate with the restriction that only Gaussian encodings are allowed: input messages are encoded in so-called Gaussian states for which the mean field amplitudes are Gaussian distributed.<p><p>We focus in this work mainly on the Gaussian capacity for the following reasons. First, Gaussian encodings are easily accessible experimentally. Second, the difficulty of studying the classical capacity, which arises due to an optimization problem in an infinite dimensional Hilbert space, is greatly reduced when considering only Gaussian input encodings. Third, the Gaussian capacity is conjectured to coincide with the classical capacity, even though this longstanding conjecture is unsolved until today.<p><p>We start with the investigation of the capacities of the single-mode Gaussian channel. We show that the most general case can be reduced to a simple, fiducial Gaussian channel which depends only on three parameters: its transmissivity (or gain), the added noise variance and the squeezing of the noise. Above a certain input energy threshold, the optimal input variances are given by a quantum water-filling solution, which implies that the optimal modulated output state is a thermal state. This is a quantum extension (or generalization) of the well-known classical water-filling solution for parallel Gaussian channels. Below the energy threshold the solution is given by a transcendental equation and only the less noisy quadrature is modulated. We characterize in detail the dependence of the Gaussian capacity on its channel parameters. In particular, we show that the Gaussian capacity is a non-monotonous function of the noise squeezing and analytically specify the regions where it exhibits one maximum, a maximum and a minimum, a saddle point or no extrema. <p><p>Then, we investigate the case of n-mode channels with noise correlations (i.e. memory), where we focus in particular on the classical additive noise channel. We consider memory models for which the noise correlations can be unraveled by a passive symplectic transformation. Therefore, we can simplify the problem to the study of the Gaussian capacity in an uncorrelated basis, which corresponds to the Gaussian capacity of n single-mode channels with a common input energy constraint. Above an input energy threshold the solutions is given by a global quantum water-filling solution, which implies that all modulated single-mode output states are thermal states with the same temperature. Below the threshold the channels are divided into three sets: i) those that are excluded from information transmission, ii) those for which only the less noisy quadrature is modulated, and iii) those for which the quantum water-filling solution is satisfied. As an example we consider a Gauss-Markov correlated noise, which in the uncorrelated basis corresponds to a collection of single-mode classical additive noise channels. When rotating the collection of optimal single-mode input states back to the original, correlated basis the optimal multi-mode input state becomes a highly entangled state. We then compare the performance of the optimal input state with a simple coherent state encoding and conclude that one gains up to 10% by using the optimal encoding.<p><p>Since the preparation of the optimal input state may be very challenging we consider sub-optimal Gaussian-matrix product states (GMPS) as input states as well. GMPS have a known experimental setup and, though being heavily entangled, can be generated sequentially. We demonstrate that for the Markovian correlated noise as well as for a non-Markovian noise model in a wide range of channel parameters, a nearest-neighbor correlated GMPS achieves more than 99.9% of the Gaussian capacity. At last, we introduce a new noise model for which the GMPS is the exact optimal input state. Since GMPS are known to be ground states of quadratic Hamiltonians this suggests a starting point to develop links between optimization problems of quantum communication and many body physics. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La mécanique quantique est sans aucun doute la théorie la mieux vérifiée qui n’a jamais existée. En se retournant vers le passé, nous constatons qu’un siècle de théorie quantique a non seulement changé la perception que nous avons de l’univers dans lequel nous vivons mais aussi est responsable de plusieurs concepts technologiques qui ont le potentiel de révolutionner notre monde.<p> <p>La présente dissertation a pour but de mettre en avance ces potentiels, tant dans le domaine théorique qu’expérimental. Plus précisément, dans un premier temps, nous étudierons des protocoles de communication quantique et démontrerons que ces protocoles offrent des avantages de sécurité qui n’ont pas d’égaux en communication classique. Dans un deuxième temps nous étudierons trois problèmes spécifiques en clonage quantique ou chaque solution<p>apportée pourrait, à sa façon, être exploitée dans un problème de communication quantique.<p><p>Nous débuterons par décrire de façon théorique le premier protocole de communication quantique qui a pour but la distribution d’une clé secrète entre deux parties éloignées. Ce chapitre nous permettra d’introduire plusieurs concepts et outils théoriques qui seront nécessaires dans les chapitres successifs. Le chapitre suivant servira aussi d’introduction, mais cette fois-ci penché plutôt vers le côté expériemental. Nous présenterons une élégante technique qui nous permettra d’implémenter des protocoles de communication quantique de façon simple. Nous décrirons ensuite des expériences originales de communication quantique basées sur cette technique. Plus précisément, nous introduirons le concept de filtration d’erreur et utiliserons cette technique afin d’implémenter une distribution de clé quantique bruyante qui ne pourrait pas être sécurisé sans cette technique. Nous démontrerons ensuite des expériences implémentant le tirage au sort quantique et d’identification quantique.<p><p>Dans un deuxième temps nous étudierons des problèmes de clonage quantique basé sur le formalisme introduit dans le chapitre d’introduction. Puisqu’il ne sera pas toujours possible de prouver l’optimalité de nos solutions, nous introduirons une technique numérique qui nous<p>permettra de mettre en valeur nos résultats.<p> <p> / Doctorat en sciences, Spécialisation physique / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La communication quantique vise la génération, la distribution et le stockage de qubits afin d'établir de véritables réseaux quantiques. Le stockage cohérent, efficace et réversible d'états photoniques dans des mémoires atomiques est donc nécessaire et représente actuellement un enjeu majeur de la science de l'information quantique. Ainsi, de nombreux supports de stockage, tels que les ensembles d'atomes froids ou à l'état solide, sont envisagés afin de satisfaire au mieux les propriétés attendues d'une mémoire quantique. Les travaux présentés dans ce manuscrit s'inscrivent dans ce contexte et décrivent la réalisation expérimentale d'une mémoire basée sur le protocole DLCZ dans un ensemble d'atomes froids de 87Rb. Un dispositif de double piège magnéto-optique permet de refroidir et de confiner cet ensemble au sein d'un piège dont le temps de vie est ~15 s, et de le manipuler en vue du stockage quantique. Nous disposons ainsi d'un nuage présentant une épaisseur optique à résonance de l'ordre de 5, et dont les atomes sont refroidis à une dizaine de µK. La mise en place du protocole DLCZ dans cet ensemble atomique consiste à créer des états cohérents de la matière puis à les relire, à partir de diffusions Raman qui s'accompagnent de la génération de photons uniques corrélés en impulsion. Les premiers résultats obtenus montrent des corrélations non-classiques, affichant une violation forte de l'inégalité de Cauchy-Schwarz, pour une efficacité de lecture de l'ordre de 4% et un temps de cohérence de l'état stocké de ~800 ns. Cette mémoire, utilisée comme une source de photons uniques annoncés, fait partie d'un projet pour lequel une interface basée sur de l'optique non-linéaire / Quantum communication aims at generating, distributing and storing qubits between distant locations, in view of implementing actual quantum networks. Coherent, efficient and reversible storage of photonic states in atomic memories is thus necessary and represents a major challenge in quantum information science. Several storage medium, such as cold atomic or solid-state ensembles, are considered so as to satisfy at best the different benchmarks of a quantum memory. In this context, the work presented in this manuscript describes the experimental realization of a memory based on the DLCZ protocol in cold atomic ensemble of 87Rb. A double magneto-optical trap system allows cooling and confining this ensemble within a trap showing a lifetime of 15 s, and to manipulate it for quantum storage. This cloud shows a resonant optical thickness of about 5, and atoms are cooled down to 10 µK. The implementation of the DLCZ protocol in this atomic ensemble consists in creating coherent states of matter and then to read them, using Raman scattering events which come along with the generation of pairs of single photons correlated in momentum. First results show non-classical correlations, which exhibit a strong violation of the Cauchy-Schwarz inequality, with a read-out efficiency of about $4\%$ and a coherence time of the stored state on the order of 800 ns. This memory, used as a heralded single photon source, is part of a project in which an interface based on non-linear guided wave optics has been built and caracterized so as to convert the 795 nm single photons generated by the memory to the telecom wavelength of 1560 nm. Both elements, combined with a entangled photon source withi

La portée des communications quantiques est limitée à quelques dizaines de km en raison de l’atténuation dans les fibres. Les répéteurs quantiques (relais quantiques synchronisés par des mémoires quantiques photoniques) furent introduits afin d’accroître ces distances. Or, pour le moment, les mémoires les plus performantes fonctionnent à des longueurs d’onde n’appartenant pas à la bande C télécom. Afin de profiter de ces mémoires, l’utilisation d’interfaces quantiques (milieu non linéaire quadratique) fut proposée comme alternative. En ajoutant ainsi par somme de fréquences un photon de pompe de longueur d’onde appropriée au photon télécom portant l’information, on transfère l’information à une longueur d’onde compatible avec les mémoires, et ceci sans dégradation de l’information portée initialement par le photon télécom. Notre but est ainsi de construire un oscillateur paramétrique optique continu simplement résonant (SRO) qui fournira un faisceau à 1648 nm qui sera sommé en fréquence aux photons télécom à 1536 nm pour transférer l’information vers un photon stockable dans une mémoire à base d’atomes alcalins. Pour transférer efficacement l’information, le SRO doit satisfaire quelques critères : une haute finesse spectrale (largeur de raie ~kHz), une forte puissance (~1W) et une longueur d’onde plus grande que celle du photon télécom à convertir. Pour ce faire, nous utilisons le faisceau non-résonant d’un SRO continu. Le premier travail réalisé dans cette thèse a été de faire la démonstration de la possibilité d’avoir un faisceau à la fois intense et pur spectralement en sortie d’un SRO continu. En réutilisant un SRO déjà développé durant nos travaux antérieurs, nous avons pu stabiliser au niveau du kHz la fréquence du faisceau non résonant à 947 nm (onde signal) de ce SRO, tout en émettant une puissance de plus d’un watt. Ensuite, nous avons conçu le SRO dont le faisceau non résonant à 1648 nm (onde complémentaire) a été stabilisé à court terme en-dessous du kHz avec une puissance de l’ordre du watt. Nous avons ensuite étudié la stabilité à long terme de la longueur d’onde du complémentaire à 1648 nm. Nous avons mesuré des dérives de fréquences de l’ordre de 10 MHz/mn. Ces dérives, venant essentiellement de la cavité de référence sur laquelle le SRO est asservi, peuvent être réduites en contrôlant activement la cavité d’une part, et en utilisant des techniques de stabilisation en fréquence robustes, d’autre part. / Long distance quantum communications are limited to few tens of km due to the attenuation of light in telecom fibres. Quantum repeaters (quantum relays synchronized by photonic quantum memories) were introduced in order to increase distances. Or, currently, the most efficient memories do not operate at wavelengths in the telecom C band. In order to take advantage of these memories, the use of quantum interfaces (second order nonlinear medium) was proposed as an alternative. Thus, by adding by sum frequency generation a pump photon at an appropriate wavelength to the telecom photon carrying the information, one transfers the information to a wavelength compatible with these memories, and this with a preservation of the information initially carried by the telecom photon. Our aim is thus to build a continuous-wave singly resonant optical parametric oscillator (cw SRO) which will provide a wave at 1648 nm that will be frequency summed to telecom photons at 1536 nm to transfer the information to a photon storable into alkali atoms based memory. To efficiently transfer the information, the cw SRO has to fulfill some requirements: a high spectral purity (linewidth ~kHz), a high output power (~1 W) and a wavelength longer than that of the telecom photon to be converted. To this aim, we use the non-resonant wave of a cw SRO. The first work done during this thesis was to experimentally prove the possibility to have both high output power and high spectral purity from a cw SRO. By reusing a cw SRO already built during our previous works, we were able to stabilize at the kHz level the frequency of the non-resonant wave at 947 nm (signal wave) of this SRO, with an output power of more than one watt. Then, we built the cw SRO of which non-resonant wave at 1648 nm (idler wave) has been frequency stabilized below the kHz level along with an output power of the order of one watt. We next studied the long term stability of the idler wavelength at 1648 nm. We have measured frequency drifts of the order of 10 MHz/mn. These drifts originating mainly from the reference cavity to which the SRO is locked, can be reduced by, firstly, an active control of the cavity and by, secondly, the use of robust frequency stabilization techniques.

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.

Nous introduisons un nouveau modèle de la communication à deux parties dans lequel nous nous intéressons au temps que prennent deux participants à effectuer une tâche à travers un canal avec délai d. Nous établissons quelques bornes supérieures et inférieures et comparons ce nouveau modèle aux modèles de communication classiques et quantiques étudiés dans la littérature. Nous montrons que la complexité de la communication d’une fonction sur un canal avec délai est bornée supérieurement par sa complexité de la communication modulo un facteur multiplicatif d/ lg d. Nous présentons ensuite quelques exemples de fonctions pour lesquelles une stratégie astucieuse se servant du temps mort confère un avantage sur une implémentation naïve d’un protocole de communication optimal en terme de complexité de la communication. Finalement, nous montrons qu’un canal avec délai permet de réaliser un échange de bit cryptographique, mais que, par lui-même, est insuffisant pour réaliser la primitive cryptographique de transfert équivoque. / We introduce a new communication complexity model in which we want to determine how much time of communication is needed by two players in order to execute arbitrary tasks on a channel with delay d. We establish a few basic lower and upper bounds and compare this new model to existing models such as the classical and quantum two-party models of communication. We show that the standard communication complexity of a function, modulo a factor of d/ lg d, constitutes an upper bound to its communication complexity on a delayed channel. We introduce a few examples on which a clever strategy depending on the delay procures a significant advantage over the naïve implementation of an optimal communication protocol. We then show that a delayed channel can be used to implement a cryptographic bit swap, but is insufficient on its own to implement an oblivious transfer scheme.

L'objectif central de cette thèse est d'exploiter les propriétés quantiques du champ électromagnétique pour développer de nouveaux dispositifs de communication. L'étude porte sur les composantes de quadrature (variables quantiques continues) d'un mode impulsionnel du champ lumineux. Une démonstration expérimentale de cryptographie quantique avec des états cohérents a été réalisée. Le dispositif se base sur des impulsions modulées en amplitude et en phase et comportant en moyenne une centaine de photons. Pour chaque impulsion lumineuse, une détection homodyne résolue en temps permet de mesurer une composante de quadrature particulière avec une forte efficacité. Une clé secrète a ainsi été transmise à un débit de 1.7 Mbits/s en l'absence de pertes et 75 kbits/s pour une transmission présentant des pertes de 3.1 dB, ce qui ouvre la voie pour des applications de cryptographie quantique à hauts débits. Afin d'étudier l'utilisation de spécificités quantiques, nous avons développé une source impulsionnelle d'états comprimés et d'états intriqués. Cette source utilise des conversions non-linéaires d'impulsions ultrabrèves intervenant dans un cristal mince de niobate de potassium. Suivant la configuration, la réduction du bruit en quadrature est de 2.7 dB sous le niveau de bruit quantique standard, ou les corrélations entre les quadratures des faisceaux intriqués sont de 2.5 dB. Grâce à ce dispositif, nous avons mis en oeuvre la première expérience de "dégaussification", pour transformer des impulsions de vide comprimé en des états non-gaussiens. Ce protocole est directement lié à la distillation de l'intrication de variables continues, qui permet d'améliorer la portée des dispositifs de cryptographie. Enfin, des schémas sont étudiés pour réaliser des tests complets des inégalités de Bell avec des variables continues mesurées par des détections homodynes.

Nous introduisons un nouveau modèle de la communication à deux parties dans lequel nous nous intéressons au temps que prennent deux participants à effectuer une tâche à travers un canal avec délai d. Nous établissons quelques bornes supérieures et inférieures et comparons ce nouveau modèle aux modèles de communication classiques et quantiques étudiés dans la littérature. Nous montrons que la complexité de la communication d’une fonction sur un canal avec délai est bornée supérieurement par sa complexité de la communication modulo un facteur multiplicatif d/ lg d. Nous présentons ensuite quelques exemples de fonctions pour lesquelles une stratégie astucieuse se servant du temps mort confère un avantage sur une implémentation naïve d’un protocole de communication optimal en terme de complexité de la communication. Finalement, nous montrons qu’un canal avec délai permet de réaliser un échange de bit cryptographique, mais que, par lui-même, est insuffisant pour réaliser la primitive cryptographique de transfert équivoque. / We introduce a new communication complexity model in which we want to determine how much time of communication is needed by two players in order to execute arbitrary tasks on a channel with delay d. We establish a few basic lower and upper bounds and compare this new model to existing models such as the classical and quantum two-party models of communication. We show that the standard communication complexity of a function, modulo a factor of d/ lg d, constitutes an upper bound to its communication complexity on a delayed channel. We introduce a few examples on which a clever strategy depending on the delay procures a significant advantage over the naïve implementation of an optimal communication protocol. We then show that a delayed channel can be used to implement a cryptographic bit swap, but is insufficient on its own to implement an oblivious transfer scheme.

La physique quantique fut introduite au début du 20e siècle. Elle<p>apporte une nouvelle description du monde qui nous entoure et en<p>particulier de ce qu'on appelle le monde de l'infiniment<p>petit. Cette nouvelle théorie permet une description adéquate<p>notamment de l'effet photoélectrique, des niveaux énergétiques des<p>atomes, des réactions nucléaires, Elle apporte également une<p>réponse à de nombreuses problématiques telles que la catastrophe<p>ultraviolette. Néanmoins aussi séduisante que soit cette théorie,<p>les prédictions pour le moins contre-intuitives qu'elle apporte,<p>amène rapidement la controverse. Par exemple, en 1935, A.<p>Einstein, B. Podolski et N. Rosen en arrivent à mettre en doute la<p>physique quantique à cause d'une particularité que l'on y<p>rencontre, à savoir l'enchevêtrement. Il s'en<p>suit le célèbre débat avec N. Bohr et l'école de Copenhagen. Parmi<p>les autres aspects propres au monde quantique on peut encore citer<p>la superposition des états, le postulat de la mesure, le principe<p>d'incertitude d'Heisenberg, la dualité onde-corpuscule, le<p>théorème de non clonage, Toutes ces spécificités font de la<p>physique quantique un monde passionnant dans lequel, à l'instar du<p>pays des merveilles d'Alice, l'intuition est souvent dépassée.<p><p>Cette thèse est le fruit de quatre années de travail au cours<p>desquelles nous avons tenté d'observer et d'étudier certains des<p>effets intrigants que nous propose la physique quantique. Plus<p>précisément nous avons utilisé des états particuliers de la<p>lumière afin d'explorer une partie de ce qu'on appelle<p>l'optique quantique.<p><p>Dans un premier temps nous nous sommes intéressés aux possibilités<p>offertes par l'utilisation d'états cohérents de la lumière. En<p>utilisant ces états particuliers nous nous sommes penchés sur<p>l'étude ainsi que sur la réalisation expérimentale d'une tâche qui<p>se révèle impossible classiquement sans hypothèse computationelle.<p>Cette tâche consiste à réaliser un pile ou face entre deux joueurs<p>éloignés l'un de l'autre, par exemple deux joueurs communiquant<p>par téléphone. En effet, classiquement, un des deux joueurs pourra<p>toujours tricher de manière à avoir 100% de chance de gagner le<p>pile ou face.<p><p>Au contraire, si on utilise les ressources offertes par la<p>communication quantique, il est possible de construire des<p>protocoles ne permettant plus à aucun des deux joueurs de tricher<p>parfaitement et ce, sans aucune hypothèse supplémentaire. Même si<p>aucun protocole quantique ne peut empêcher totalement toute<p>tricherie, leur démonstration constitue une preuve de principe<p>quant aux possibilités offertes par la physique quantique dans la<p>réalisation de tâches classiquement impossibles.<p><p>Lors de notre étude du problème, nous avons développé un protocole<p>de pile ou face quantique et étudié ses performances. Nous avons<p>montré que les tentatives de tricherie des deux joueurs avaient<p>une probabilité de succès limitée à 99,7%<100% (biais inférieur<p>à 0,497). L'originalité de cette étude se situe dans le fait que<p>les imperfections expérimentales (efficacité des détecteurs,<p>pertes de transmission, visibilité réduite, ) furent prises en<p>compte, ce qui à notre connaissance n'avait jamais été réalisé. En<p>outre nous avons réalisé une implémentation en optique fibrée de<p>notre protocole et démontré la réalisation d'un pile ou face<p>unique au cours duquel aucun des deux joueurs ne pouvait<p>influencer parfaitement le résultat, ce qui à notre connaissance<p>n'avait également jamais été démontré. L'emploi d'états cohérents<p>de la lumière fortement atténués nous a donc permis de concevoir<p>un protocole de pile ou face quantique et de réaliser une<p>démonstration expérimentale en optique fibrée, d'une tâche<p>impossible à réaliser classiquement.<p><p><p>Après avoir travaillé avec des états cohérents fortement atténués,<p>nous nous sommes intéressés à un autre état quantique de la<p>lumière, à savoir les paires de photons. Ces états constituent non<p>seulement une ressource essentielle pour sonder les effets<p>quantiques de la lumière mais également une ressource<p>incontournable pour l'information et la communication quantique.<p>Nous nous sommes donc attelés à la réalisation d'une source<p>produisant ces paires de photons.<p><p> Les premières sources de paires<p>de photons furent basées sur l'utilisation de cristaux dans<p>lesquels il existe une interaction non linéaire entre la lumière<p>et le matériau du cristal. Malheureusement le désavantage majeur<p>de ces sources est la difficulté à collecter les paires de photons<p>générées. Nous avons donc étudié la possibilité de générer des<p>paires de photons directement dans une fibre optique, la<p>collection des paires y étant réalisée de facto.<p><p>La première solution que nous avons envisagée consiste à utiliser<p>la non-linéarité du troisième ordre de la silice composant les<p>fibres optiques. Plus précisément le phénomène utilisé est appelé<p>l'instabilité de modulation. Ce phénomène permet de détruire deux<p>photons de pompe afin de générer une paire de photons vérifiant<p>les conservations de l'énergie et de l'impulsion. En outre nous<p>avons choisi d'utiliser une fibre optique microstructurée. Ces<p>fibres permettent en effet un plus grand confinement de la lumière<p>que les fibres standards. Il en résulte une interaction non<p>linéaire plus importante, permettant ainsi de générer des paires<p>de photons de manière plus efficace. La fibre utilisée est en<p>outre biréfringente, ce qui permet d'avoir accès à deux types<p>particuliers d'instabilité de modulation: l'instabilité scalaire<p>et l'instabilité vectorielle.<p><p>Dans un premier temps, nous avons observé le processus<p>d'instabilité de modulation dans un régime classique. Les<p>paramètres particuliers de notre fibre microstructurée - forte<p>dispersion anormale et biréfringence modérée<p> - nous ont permis d'observer un régime<p>d'instabilité dans lequel l'instabilité de modulation vectorielle<p>se produit à des fréquences proches de la fréquence de pompe<p>($Omegasim 1$THz). Il en résulte que les bandes de gain liées à<p>l'instabilité de modulation vectorielle sont très proches des<p>bandes de gain liées à l'instabilité de modulation scalaire. Nous<p>avons observé que dans ce régime particulier, les densités<p>d'énergie générées par instabilité de modulation vectorielle sont<p>supérieures à celles générées par instabilité de modulation<p>scalaire. A notre connaissance, il s'agit de la première<p>observation expérimentale permettant de mettre en évidence un gain<p>vectoriel supérieur au gain scalaire.<p><p>La génération de paires de photons grâce à ce processus nécessite<p>de diminuer la puissance de pompe envoyée dans la fibre.<p>Malheureusement nous avons mesuré que dans ce régime de faible<p>puissance (régime quantique), la qualité des paires de photons<p>générées était fortement dégradée par la présence de photons<p>parasites générés par diffusion Raman spontanée. Nous avons estimé<p>que lorsque la puissance de pompe est abaissée suffisamment pour<p>générer en moyenne 0,1~photons dans la bande de gain d'instabilité<p>de modulation vectorielle ($sim$1543 nm), environ 75% des<p>photons détectés auront été générés par diffusion Raman spontanée.<p>Afin de mettre en oeuvre des expériences d'optique quantique<p>utilisant des paires de photons, des solutions doivent donc être<p>appliquées à notre source afin de réduire le nombre de photons<p>générés par diffusion Raman spontanée. Parmi ces solutions nous<p>pouvons citer la discrimination en polarisation des photons<p>générés ainsi que le refroidissement de la fibre grâce à de<p>l'azote liquide. Ces solutions permettraient de réduire le nombre<p>de photons Raman anti-Stokes d'un facteur 18 et le nombre de<p>photons Raman Stokes d'un facteur 4. Malheureusement la tenue de<p>la fibre microstructurée à de très basses températures reste<p>incertaine et l'implémentation de ces solutions rendrait la source<p>difficilement utilisable.<p><p><p>Notre première tentative pour générer des paires de photons dans<p>une fibre optique nous a montré que les paires de photons générées<p>grâce à un processus d'interaction non linéaire du troisième ordre<p>étaient polluées par des photons générés par diffusion Raman<p>spontanée. Une source de paires de photons efficace ne pouvait<p>donc pas être obtenue sans l'aide de solutions technologiques<p>assez lourdes à mettre en oeuvre.<p><p>Nous avons donc investigué une deuxième solution afin de réaliser<p>une source produisant des paires de photons dans une fibre<p>optique. Puisque les non-linéarités du troisième ordre semblent<p>être peu adaptées pour la génération de paires de photons, nous<p>sommes revenus à une non-linéarité du second ordre. Dans ces<p>processus c'est un photon de pompe qui est détruit afin de générer<p>une paire de photons, tout en respectant les conservations de<p>l'énergie et de l'impulsion. Malheureusement les fibres optiques<p>ne permettent pas l'apparition de non-linéarités du second ordre<p>et ce, à cause de la centrosymétrie macroscopique du verre de<p>silice qui compose ces fibres.<p><p>Afin d'induire une non-linéarité du second ordre dans une fibre<p>optique nous avons travaillé en collaboration avec l'équipe du<p>Prof. P. G. Kazansky de l'université de Southampton. En utilisant<p>les techniques de poling thermique et d'effacement par<p>illumination UV, ils réalisèrent une fibre optique twin-hole<p>périodiquement polée dans laquelle les non-linéarités du second<p>ordre furent possibles.<p><p>Grâce à cette fibre nous avons réalisé une source de paires de<p>photons combinant les avantages des effets non linéaires du second<p>ordre, i.e. la puissance de pompe nécessaire est moindre<p>que dans le cas d'une non-linéarité du troisième ordre, la<p>diffusion Raman spontanée n'influence aucunement les paires de<p>photons générées, et les avantages de la fibre optique,<p>i.e. la collection des paires de photons y est réalisée<p>de facto, le mode spatial transverse des paires de photons<p>est bien défini. La mesure du pic de coïncidences de notre source<p>fournit un rapport entre le sommet du pic et le niveau des<p>coïncidences accidentelles de 7,5. Une efficacité conversion<p>$P_s/P_p=1,2,10^{-11}$ fut obtenue en utilisant 43~mW de<p>puissance de pompe. En outre les paires de photons générées<p>possèdent une longueur d'onde de 1556~nm se trouvant ainsi dans la<p>bande C des télécommunications optiques (1530-1565~nm). Elles sont<p>donc bien adaptées à une éventuelle application en communication<p>quantique, dans les réseaux de fibres optiques actuellement<p>utilisés pour les télécommunications optiques. Enfin nous avons<p>utilisé ces paires de photons afin de réaliser l'expérience de<p>Hong-Ou-Mandel permettant de mettre en évidence un effet propre à<p>la physique quantique, à savoir le photon bunching. Une visibilité<p>nette de 40% fut obtenue pour le Mandel dip dans une<p>configuration où la visibilité maximale vaut 50%. En outre cette<p>expérience nous a permis de développer une expertise dans la<p>réalisation d'interféromètres fibrés, stabilisés et contrôlés en<p>température.<p><p><p>La source de paires de photons que nous avons réalisée constitue<p>une démonstration de principe quant à la faisabilité d'une telle<p>source. A l'époque de ce travail, la fibre dont nous disposions<p>était l'une des premières fibres twin-hole périodiquement polées.<p>Aujourd'hui de nombreux paramètres de la fibre ont été améliorés<p>et permettent la réalisation d'une source de paires de photons<p>tout à fait compétitive avec les autres sources existantes. Ainsi<p>l'équipe du Prof. Kazansky est capable de réaliser des fibres<p>périodiquement polées de 20 cm de long possédant une efficacité de<p>conversion normalisée de seconde harmonique de<p>$eta_{SH}=8;10^{-2}$\\%/W. Si l'on suppose toujours une puissance<p>de pompe de 43 mW, cela mène à une efficacité de conversion de<p>$1,0;10^{-9}$ pour le processus de fluorescence paramétrique,<p>soit une amélioration de deux ordres de grandeurs par rapport à<p>notre démonstration. La réalisation d'une source de paires de<p>photons dans une fibre optique périodiquement polée qui serait non<p>seulement utilisable dans des expériences de physique fondamentale<p>mais également dans des applications en communication quantique,<p>est donc tout à fait envisageable dans un futur proche.<p><p><p>Pour résumer, nous avons, au cours de cette thèse, réalisé, dans<p>un premier temps, la tâche classiquement impossible qui consiste à<p>jouer à pile ou face à distance. Ensuite dans l'optique de générer<p>des paires de photons, nous avons étudié le processus<p>d'instabilité de modulation dans une fibre microstructurée. Nous<p>avons ainsi observé un régime particulier dans lequel<p>l'instabilité de modulation vectorielle possède un gain supérieur<p>à celui de l'instabilité de modulation scalaire. Enfin toujours en<p>quête d'une source de paires de photons, nous avons réalisé une<p>source produisant des paires de photons par fluorescence<p>paramétrique dégénérée au sein d'une fibre optique twin-hole<p>périodiquement polée. Les trois principaux sujets abordés au cours<p>de cette thèse ont donc en commun l'utilisation de l'optique<p>fibrée pour la manipulation ou la génération d'états quantiques de<p>la lumière. Il en a résulté l'obtention de trois résultats<p>originaux qui nous ont ainsi permis d'explorer une partie du monde<p>intrigant et fascinant de l'optique quantique.<p><p>/<p><p>Quantum physics was introduced early in the 20th century. It<p>brings a whole new description of our world, mostly at the<p>microscopic level. Since then, this new theory has allowed one to<p>explain and describe lots of physical features like the<p>photoelectric effect, the energy levels of atoms, nuclear<p>reactions, It also brought an answer to lots of remaining<p>unanswered questions like the so-called ultraviolet catastrophe.<p>Though, as attractive as this new theory was at that time, some of<p>its counter-intuitive predictions quickly gave rise to<p>controversy. For instance, in 1935, due to one quantum physics<p>feature called entanglement, A. Einstein, B. Podolski and N. Rosen<p>asked the question: "Can quantum-mechanical description of<p>physical reality be considered complete?". This led to<p>the famous debate with N. Bohr and his Copenhagen interpretation.<p>Amongst other particular features of quantum physics one can cite:<p>the superposition principle, the wave function collapse, the<p>Heisenberg uncertainty principle, the wave-particle duality, the<p>no-cloning theorem, As in Alice in wonderland, all those<p>features actually make quantum physics a fascinating world where<p>intuition is most of the time useless.<p><p>In this thesis we tried to observe and study some of the<p>intriguing features of quantum physics. More precisely we tried to<p>use specific light states to explore part of what is called<p>quantum optics.<p><p><p>First we studied the use of coherent states of light to perform<p>tasks you can not perform using classical physics. For instance in<p>1984, Ch. Bennett and G. Brassard proposed the first quantum<p>cryptography protocol which has an absolute security<p>while classical protocol security still relies on some<p>computational assumptions (the assumption is that today<p>computers computational power is not sufficient to threaten the<p>security of classical protocols. Though this means that classical<p>protocols are not intrinsically secure). Since then quantum<p>physics has been proven useful to perform lots of classically<p>impossible tasks like bit commitment, quantum computation, random<p>number generation, In this work we were interested in the<p>problem of coin tossing by telephone introduced by M. Blum<p>in 1981. In this problem two untrustful and distant<p>players try to perform a coin flip. Classically one can show that,<p>if no computational assumptions are made, one of the players can<p>always force the outcome of the coin flip.<p><p>On the opposite if one uses quantum communication resources, a<p>protocol in which none of the players can cheat perfectly can be<p>built, i.e. none of the players have 100\\% chance of<p>winning the protocol even by using the best possible cheating<p>strategy. Moreover this is possible without any other assumption<p>than the validity of the laws of physics. Though a quantum<p>protocol for coin tossing can not completely prevent from cheating, the demonstration of such a protocol would<p>be a proof of principle of the potential of quantum communication<p>to implement classically impossible tasks.<p><p>In our work, we have developed a quantum coin tossing protocol and<p>studied its performances. We have shown that the success cheating<p>probability of the players is bounded by 99,7%<100%, which is<p>better than what is achieved in any classical protocol. One of the<p>originalities of our work is that, for the first time to our<p>knowledge, experimental imperfections (detectors efficiency,<p>losses, limited interference visibility, ) have been taken into<p>account in the theoretical analysis. Moreover, using coherent<p>states of light, we have demonstrated a fiber optic experimental<p>implementation of our protocol and performed a single coin flip<p>where none of the two players could perfectly influence the<p>outcome. This is to our knowledge the first experimental<p>demonstration of single quantum coin tossing.<p><p><p>After coherent states of light, we wanted to work with a more<p>complex quantum state: photon pairs. Not only those states are<p>useful for fundamental physics tests but they also are an<p>important resource for quantum communication. For those reasons<p>our first objective was to build a source that would generate<p>those photon pairs.<p><p>First photon pairs sources were based on bulk nonlinear crystals.<p>Unfortunately the main drawback of those sources is the low<p>collection efficiency of the generated photon pairs. That's why we<p>investigated the possibility of generating the photon pairs<p>directly in a waveguiding structure where they would be readily<p>collected.<p><p>The first solution that we envisaged was to use the natural third<p>order nonlinearity of silica fibers. More precisely the phenomenon<p>we wanted to used is called modulation instability. In this<p>process, two pump photons are destroyed and a photon pair is<p>created with energy and momentum conservations. Moreover we<p>decided to use this process in a photonic crystal fiber. The high<p>confinement of light in this kind of fiber allows a higher<p>nonlinearity and thus a more efficient generation of photon pairs.<p>Finally the fiber we used was birefringent which enables both<p>vectorial and scalar modulation instability to occur.<p><p>As a first experiment, we decided to observe modulation<p>instability in a classical regime where a lot of photons are<p>created. The specific parameters of our photonic crystal fiber -<p>high anomalous dispersion and moderate birefringence - allowed us<p>to observe a regime where the vectorial instability gain band has<p>a similar detuning from the pump as the scalar instability gain<p>band. In this regime we also observed an enhancement of the<p>vectorial gain above the scalar gain which has been confirmed<p>theoretically. To our knowledge this was the first experimental<p>observation of this particular regime of instability.<p><p>To generate photon pairs with this instability process we need to<p>lower down the pump power. Unfortunately we measured that, when<p>pump power was sufficiently lowered to generate ~0,1 photon<p>pairs per pump pulse sent in the fiber, about 75% of generated<p>photons were created by spontaneous Raman scattering and not<p>modulation instability. In order to build an efficient photon pair<p>s secteurs financiers et, en particulier, au rôle de la religion musulmane. Nous montrons que, en moyenne, la finance islamique favorise le développement du secteur bancaire dans les pays musulmans. Plusieurs pays ont en effet réussi à développer un nouveau secteur bancaire compatible avec la Shariah, sans porter ombrage au secteur bancaire non islamique avec lequel il co-existe. Notre analyse empirique est fondée sur une base de données nouvelle et originale. Celle-ci a pour intérêt de fournir des indicateurs de taille et de performance des banques islamiques de dépôt dans le monde, pour la période 2000-2005.<p> Dans le deuxième essai, nous explorons les rendements inconditionnels obtenus sur les marchés boursiers, en particulier les marchés émergents d'actions. Notre analyse d'un large panel de 53 marchés émergents "Majeurs" et "Frontières" confirme les résultats traditionnellement observés dans la littérature. Ainsi, pour l'essentiel, les deux types de marchés sont volatils et émaillés d'événements extrêmes. De plus, les rendements des marchés émergents sont faiblements corrélés avec ceux du reste du monde, même si ces corrélations ont augmenté au cours des derniers décennies. Malgré d'importantes différences en terme de taille et de liquidité, les rendements sur marchés "Frontières" sont qualitativement similaires à ceux des marchés "Majeurs", à l'exception des corrélations. Ces dernières sont en effet actuellement plus faibles dans les marchés "Frontières", qui continuent dès lors à offrir d'importants bénéfices de diversification aux investisseurs internationaux.<p> Dans le dernier essai, nous examinons la relation entre les transferts d'argent des migrants et la croissance économique. Nous confirmons l'idée que les transferts de fonds des migrants sont importants pour les pays en voie de développement. Mais surtout, nous démontrons, de manière théorique et empirique, qu'il est crucial de faciliter dans ces pays l'accès aux comptes de dépôt bancaires, afin de transformer une plus grande part des transferts des migrants en investissements productifs. Ceci est d'autant plus vrai quand l'accès aux autres sources de capitaux internationaux est coûteux.<p>on pairs well defined). A coincidence<p>measurement was performed resulting in a coincidence peak with a<p>7,5 ratio between the peak and the accidental coincidences level.<p>A conversion efficiency $P_s/P_p=1,2,10^{-11}$ was obtained using<p>43 mW of pump power. Moreover photon pairs were generated around<p>1556~nm in the optical communications C-band, which makes them<p>suitable for quantum communication applications using installed<p>fiber optic networks. Finally using the generated photon pairs we<p>performed the Hong-Ou-Mandel experiment highlighting the bosonic<p>nature of photons. We obtained a Mandel dip with a net visibility<p>of 40% in a configuration where the maximum visibility is 50%.<p><p>The photon pair source that we realized is a proof of principle of<p>the high potential of poled fibers in quantum applications. Indeed<p>today, Prof. P. G. Kazansky's team is able to make a 20 cm poled<p>fiber with a nonlinearity $eta_{SH}=8;10^{-2}$\\%/W. If we still<p>suppose 43~mW of pump power, this leads to a $1,0;10^{-9}$<p>conversion efficiency for parametric fluorescence, improving our<p>result by two orders of magnitude. The realization of an efficient<p>photon pair source based on parametric fluorescence in<p>periodically poled twin-hole fiber suitable for quantum<p>applications is thus absolutely possible in a very near future. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

L'objectif de ce travail de recherche est l'étude des posibilités offertes par une nouvelle approche de l'information quantique basée sur des variables quantiques continues. Lorsque ces variables continues sont portées par le champs éléctromagnétique, un grand nombre de protocoles d'information quantique peuvent être implémentés à l'aide de lasers et d'éléments d'optique linéaire standards. Cette simplicité expérimentale rend cette approche très intéressantes d'un point de vue pratique, en particulier pour le développement des futurs réseaux de communications quantiques.<p><p>Le travail peut se diviser en deux parties complémentaires. Dans la première partie, plus fondamentale, la relation complexe qui existe entre l'intrication et la nonlocalité de la mécanique quantique est étudiée sur base des variables optiques continues. Ces deux ressources étant essentielles pour l'information quantique, il est nécessaire de bien les comprendre et de bien les caractériser. Dans la seconde partie, orientée vers des applications concrètes, le problème de la correction d'erreur à variables continues est étudié. Pouvoir transmettre et manipuler l'information sans erreurs est nécessaire au bon développemnent de l'information quantique, mais, en pratique, les erreurs sont inévitables. Les codes correcteurs d'erreurs permettent de détecter et corriger ces erreures de manière efficace.<p> / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished