Cette thèse s'inscrit dans le cadre de l'information quantique avec des variables continues, en utilisant des états quantiques du champ électromagnétique. En combinant les outils propres aux variables discrètes, o'u la lumière est décrite en termes de photons, avec les outils des variables continues, où la lumière est décrite en termes de quadratures, nous pouvons étudier théoriquement et produire expérimentalement des états non-classiques, ainsi que des protocoles élémentaires d'information quantique. Ainsi, nous avons produit expérimentalement un état "chat de Schrödinger", superposition quantique de deux états lumineux quasi-classiques, sur lequel nous avons appliqué une porte quantique introduisant une phase dans la superposition. Nous avons ensuite analysé la qualité de cette porte en utilisant un modèle simple de notre expérience. Nous nous sommes ensuite intéressés aux corrélations quantiques, mesurées par la discorde quantique, pour une classe d'états particulièrement importants en information quantique. Nous avons quantifié la précision de nos mesures en les comparant aux bornes de Cramér-Rao classique et quantique. Enfin, nous avons étudié théoriquement l'utilisation d'un amplificateur quantique non-déterministe en cryptographie quantique. Cet amplificateur possède la propriété de pouvoir amplifier des états quantiques sans en amplifier le bruit quantique associé. Ainsi, nous avons montré qu'il permet une amélioration de la distance maximale de transmission d'une clé secrète, ainsi qu'une amélioration de la résistance au bruit introduit par le canal quantique.

Ce travail porte sur l'étude de la cohérence entre champs triplets générés par interaction non linéaire d'ordre trois. Un protocole indirect, basé sur l'étude du champ issu de la somme de fréquences des champs triplets dans un cristal non linéaire a été envisagé. Une modélisation théorique en formalisme quantique de l'évolution des champs, de leur génération à leur recombinaison, a été développée, donnant lieu à une recherche exhaustive des signatures de corrélations susceptibles d'émerger de notre protocole. Les expériences menées, à savoir la génération non linéaire bi-stimulée et la recombinaison des champs ainsi générés, sont en accord avec notre modèle théorique et permettent de mettre en évidence le masquage des corrélations entre les champs dans ce régime fortement injecté, ces corrélations étant contenues dans les fluctuations quantiques, alors négligeables, des opérateurs champs. Le calcul théorique prédit une signature de corrélations fortes entre les photons triplets dans la cas d'un génération par fluorescence paramétrique, et plus faible dans le cas d'une génération mono-stimulée. / This work deals about the study of coherence between triple photon beams generated by a third order non linear interaction. A protocol, based on the study of the field arising from sum-frequency of the triplet fields in a non linear crystal, was proposed. A theoretical model, in the quantum formalism, was developed, leading to an exhaustive research of the potential signature of the correlations. All the possible schemes were studied : triple fields generation from parametric fluorescence or from stimulated interaction, and recombination of two or three of the triple fields. The experiments we led, i.e. the bi-stimulated non linear generation and the recombination of the so-born fields, agree with our theoretical model and put into light the correlations hiding in this highly stimulated regime, since these correlations lie in the quantum fluctuations of the fields operators. The theoretical calculations predicts a strong correlations signature when the fields are generated from parametric fluorescence, and a weaker one in the case of a generation mono-stimulated.

Nous étudions les propriétés quantiques des images<br /> optiques. Sur le plan théorique, nous nous plaçons dans le plan transverse du champ<br /> électromagnétique pour définir des observables les plus proches possibles de ce que<br /> mesurent les détecteurs en optique. Nous montrons alors la nécessité d'une approche<br /> multimode transverse pour la description des images. Nous élaborons une méthode<br /> de calcul des fluctuations en tout point du plan transverse d'un nombre quelconque<br /> de champs après leur interaction avec un cristal non linéaire.<br /><br /> Nous appliquons ces principes pour définir les limites de résolution dans les images<br /> optiques imposées par la mécanique quantique. Nous appliquons le cas particulier du<br /> champ bimode aux mesures de positions d'un faisceau effectuées par un détecteur à<br /> deux zones. Nous montrons alors, à la fois théoriquement et expérimentalement, que<br /> le choix adéquat de deux modes non classiques permet de faire des mesures de<br /> déplacement en dessous de la limite quantique standard. D'un autre côté, nous<br /> appliquons la méthode de calcul des fluctuations au cas particulier du soliton<br /> spatial, système permettant de s'affranchir de la diffraction. On montre que, même<br /> si elle ne modifie pas le champ moyen, la diffraction est responsable de la<br /> diffusion des propriétés quantiques, qui se retrouvent alors dans les fonctions de<br /> correlations entre deux points transverses. Finalement, nous décrivons une<br /> expérience réalisée avec un oscillateur paramétrique optique dégénéré<br /> transversalement, qui permet de faire osciller pour une même longueur de cavité un<br /> grand nombre de modes transverses. La présence d'un cristal non linéaire d'ordre<br /> deux permet de coupler les modes et d'obtenir des effets quantiques non monomodes<br /> transverses.

Ce travail est consacré aux microcavités semi-conductrices à puits quantiques. Ces dispositifs permettent d'atteindre le régime de couplage fort entre le mode résonant de la microcavité et les excitons du puits quantique. Le dédoublement des résonances optiques s'interprète en termes de modes mixtes exciton-photon appelés polaritons de cavité. On s'intéresse aux non-linéarités optiques provenant des interactions coulombiennes entre excitons et à leur influence sur les fluctuations quantiques du champ lumineux.<br />Nous montrons qu'en excitation résonante sous incidence normale, les effets non linéaires peuvent être décrits par un mélange à quatre ondes dégénéré de polaritons donnant un terme de type Kerr. Une étude théorique détaillée démontre que l'on peut obtenir une compression de bruit du champ réfléchi par la cavité. Nous avons mené les études expérimentales sur une microcavité refroidie à 4K et excitée par un laser continu quasi-monochromatique. Le bruit est mesuré au moyen d'une détection homodyne. L'ensemble des résultats est en bon accord qualitatif avec le modèle. Nous observons un comportement bistable à haute intensité d'excitation. Nous mettons en évidence la dépendance en phase de l'émission, confirmant l'existence d'un effet non linéaire cohérent, et une réduction du bruit en dessous du bruit thermique provenant de la luminescence quasi-résonante.<br />Enfin nous avons étudié théoriquement une autre configuration où l'angle d'incidence est choisi de façon à optimiser l'efficacité du processus de mélange paramétrique à quatre ondes non dégénéré de polaritons. Le comportement du système est alors analogue à celui d'un oscillateur paramétrique optique non dégénéré. Nous montrons que les intensités des deux faisceaux " signal " et " complémentaire " présentent des corrélations quantiques légèrement au-dessus du seuil d'oscillation paramétrique.

Cette thèse est consacrée à l'étude théorique et expérimentale de différents niveaux de corrélations quantiques en variables continues, mettant en jeu une ou deux quadratures. Dans cet objectif, un oscillateur paramétrique optique de type II, où signal et complémentaire sont émis suivant des polarisations orthogonales, a été développé. Une lame biréfringente introduite à l'intérieur de la cavité induit un couplage des deux modes et permet un fonctionnement dégénéré en fréquence. <br /><br />Un protocole original de préparation conditionnelle d'un état non-classique, de distribution statistique sub-Poissonienne, a été étudié théoriquement et mis en oeuvre expérimentalement. Il repose sur les corrélations d'intensité des faisceaux émis au-dessus du seuil en l'absence de lame. Une compression de 9.5 dB du bruit sur la différence d'intensité a été obtenue.<br /><br />En présence de la lame, les faisceaux émis sont dégénérés en fréquence et en principe intriqués. La dégénérescence a permis la première mesure des anti-corrélations de phase au-dessus du seuil. Malgré un excès de bruit qui reste à expliquer, ce résultat ouvre une voie intéressante pour la génération directe d'états intriqués intenses. L'oscillateur paramétrique optique, avec ou sans lame, peut également fonctionner au-dessous du seuil et générer des faisceaux fortement intriqués. L'intrication obtenue, stable pendant plusieurs heures, est la plus forte observée à ce jour et elle est préservée jusqu'à des fréquences de bruit très basses. En présence de la lame, les propriétés quantiques originales du système sont également détaillées et une opération passive, réalisée à l'aide de lames biréfringentes, est mise en évidence pour optimiser l'intrication. L'action d'opérations passives sur un état à deux modes est discutée théoriquement.

Cette thèse s’inscrit dans le cadre de l’information quantique avec des variables continues, en utilisant des états quantiques du champ électromagnétique. En combinant les outils propres aux variables discrètes, o`u la lumière est décrite en termes de photons, avec les outils des variables continues, où la lumière est décrite en termes de quadratures, nous pouvons étudier théoriquement et produire expérimentalement des états non-classiques, ainsi que des protocoles élémentaires d’information quantique. Ainsi, nous avons produit expérimentalement un état «chat de Schrödinger», superposition quantique de deux états lumineux quasi-classiques, sur lequel nous avons appliqué une porte quantique introduisant une phase dans la superposition. Nous avons ensuite analysé la qualité de cette porte en utilisant un modèle simple de notre expérience. Nous nous sommes ensuite intéressés aux corrélations quantiques, mesurées par la discorde quantique, pour une classe d’états particulièrement importants en information quantique. Nous avons quantifié la précision de nos mesures en les comparant aux bornes de Cramér-Rao classique et quantique. Enfin, nous avons étudié théoriquement l’utilisation d’un amplificateur quantique non-déterministe en cryptographie quantique. Cet amplificateur possède la propriété de pouvoir amplifier des états quantiques sans en amplifier le bruit quantique associé. Ainsi, nous avons montré qu’il permet une amélioration de la distance maximale de transmission d’une clé secrète, ainsi qu’une amélioration de la résistance au bruit introduit par le canal quantique. / This thesis is concerned with different aspects of quantum information with the continuous variables of quantum states of light. Through the combination of the continuous and discrete descriptions, where the light is either described in terms of quadratures or photons, non-classical quantum states and elementary quantum information protocols have been theoretically studied and experimentally implemented. We have experimentally implemented a quantum superposition of two quasi-classical states of light, a “Schrödinger cat state”, which was used to feed a quantum phase gate. We have analysed the quality of this implementation by using a simple model of the experiment. We have then studied quantum correlations, as captured by the quantum discord, for an important class of states in quantum information. We have compared the precision of our measurements by using the classical and quantum Cramér-Rao bounds. Finally, we have theoretically studied the use of a non-deterministic quantum amplifier in quantum cryptography. This amplifier has the property to amplify quantum states without amplifying their quantum noise. Using this property, we have shown that it is possible to increase the maximum distance of transmission of a secret key, as well as the tolerance to the noise added by the quantum channel.

L'informatique quantique, ce surprenant mariage entre informatique et physique, est un domaine riche en nouvelles idées, autant pour la technologie future qu'une meilleure compréhension de notre univers. C'est le phénomène de l'intrication qui est au coeur de cette nouvelle façon de voir l'information. Ce mémoire porte sur l'étude des corrélations quantiques observées dans la nature, mises de l'avant, entre autres, par John Bell. Plus particulièrement, deux jeux non signalants, dans lesquels ces corrélations se manifestent, sont étudiés: le jeu CHSH, probablement l'exemple le plus connu à ce jour, et le jeu de pseudotélépathie du carré magique. Pour ce faire, deux points de vue seront adoptés, soit probabiliste et algorithmique. Le premier est motivé par la prédiction (ce qui aurait pu se passer), tandis que le second s'intéresse à l'information intrinsèque contenue dans un objet (ce qui s'est passé). Les concepts «aléatoire» et «information» seront donc abordés premièrement à la Shannon (approche probabiliste) puis à la Kolmogorov (approche algorithmique). C'est la complexité de Kolmogorov qui sera utilisée pour quantifier l'information de façon factuelle. De plus, le cas particulier où plusieurs répétitions d'un jeu sont jouées en parallèle dans un monde classique sera examiné. Le théorème des répétitions parallèles, résultat important sur le sujet démontré par Ran Raz, sera présenté et utilisé par la suite dans l'étude algorithmique des jeux CHSH et du carré magique. / Quantum information, this intriguing marriage between computer science and physics, is a promising field of research for future technologies as well as a better understanding of our universe. Entanglement is at the very heart of this new way of understanding information. This thesis focuses on quantum correlations that are observed in nature. They have been studied in great detail by, among others, John Bell. More specifically, two non-signaling games, in which these correlations arise, are studied: the CHSH game, which is probably the best-known example of such games, and the magic square pseudotelepathy game. To do so, two points of view will be adopted: probabilistic and algorithmic. The first is motivated by prediction (what could have happened) and the second focuses on the intrinsic information about an object (what happened). Therefore, the concepts of randomness and information are first addressed from Shannon’s point of view (probabilistic approach) and second from Kolmogorov’s point of view (algorithmic approach). Kolmogorov complexity is used to quantify information in a factual way. Furthermore, the particular case in which multiple repetitions of a game are played in parallel in a classical world is considered. The parallel repetition theorem, an important result on the subject proven by Ran Raz, is presented and used in the algorithmic study of the CHSH game and the magic square game.

La compréhension des effets des interactions dans un ensemble de particules quantiques représente un enjeu majeur de la physique moderne. Les atomes ultra-froids sont rapidement devenus un outil incomparable pour étudier ces systèmes quantiques fortement corrélés. Dans cette thèse, nous présentons plusieurs travaux portant sur les propriétés d’un mélange de superfluides de Bose et de Fermi créé à l’aide de vapeurs ultra-froides de ⁷Li et de ⁶Li. Nous étudions tout d'abord les propriétés hydrodynamiques du mélange en créant un contre-courant entre les superfluides. L'écoulement est dissipatif uniquement au dessus d'une vitesse critique que nous mesurons dans le crossover BEC-BCS. Une simulation numérique d’un contre-courant de deux condensats permet de mieux comprendre les mécanismes sous-jacents mis en jeu dans la dynamique. En particulier, l'étude numérique fournit des preuves supplémentaires que l'origine de la dissipation dans nos expériences est liée à l'émission d'excitation élémentaires dans chaque superfluide. Finalement, nous nous intéressons aux pertes inélastiques par recombinaison à trois corps qui peuvent limiter la stabilité de nos nuages. Ces pertes sont intimement liées aux corrélations à courte distance présentes dans le système et sont ainsi connectées aux propriétés universelles du gaz quantique. Cela se manifeste notamment par l’apparition de dépendances en densité ou en température inusuelles du taux de perte lorsque le système devient fortement corrélé. Nous démontrons cet effet dans deux exemples où les interactions sont résonantes, le cas du gaz de Bose unitaire et celui de notre mélange de superfluides Bose-Fermi. Plus généralement, nos travaux montrent que ces pertes inélastiques peuvent être utilisées pour sonder les corrélations quantiques dans un système en fortes interactions. / Understanding the effect of interactions in quantum many-body systems presents some of the most compelling challenges in modern physics. Ultracold atoms have emerged as a versatile platform to engineer and investigate these strongly correlated systems. In this thesis, we study the properties of a mixture of Bose and Fermi superfluids with tunable interactions produced using ultracold vapors of ⁷Li and ⁶Li. We first study the hydrodynamic properties of the mixture by creating a counterflow between the superfluids. The relative motion only exhibit dissipation above a critical velocity that we measure in the BEC-BCS crossover. A numerical simulation of counterflowing condensates allows for a better understanding of the underlying mechanisms at play in the dynamics. In particular, this numerical study provides additional evidence that the onset of friction in our experiment is due to the simultaneous generation of elementary excitations in both superfluids. Finally, we consider the inelastic losses that occur via three-body recombination in our cold gases. This few-body process is intimately related to short-distance correlations and is thereby connected to the universal properties of the many-body system. This manifests as the apparition of an unusual dependence on density or temperature in the loss rate when increasing the interactions. We demonstrate this effect in two examples where interactions are resonant: the case of a dilute unitary Bose gas and the one of impurities weakly coupled to a unitary Fermi gas. More generally, our work shows that inelastic losses can be used to probe quantum correlations in a many-body system.

Je présente dans une première partie mes travaux de recherche sur les microcavités semi-conductrices en régime de couplage fort exciton-photon. Les modes propres dans ces systèmes sont des états mixtes exciton-photon appelés polaritons de cavité, qui présentent de fortes non-linéarités optiques provenant de l'interaction exciton-exciton. Je présente plusieurs applications de ces dispositifs dans les domaines de l'optique quantique (compression du bruit quantique, génération de faisceaux corrélés) des communications optiques et de l'opto-électronique de spin.<br /><br />J'aborde dans la deuxième partie mes activités théorique et expérimentale autour de la spectroscopie de l'ion H2+. Le but de l'expérience, qui a débuté en 2003 à l'université d'Evry, est de mesurer la fréquence d'une transition vibrationnelle à deux photons sans effet Doppler, et de la comparer à des prédictions théoriques précises pour en déduire une nouvelle détermination du rapport mp/me. Je décris les progrès des calculs de haute précision sur l'ion H2+ (niveaux d'énergie non relativistes, structure hyperfine), ainsi que le dispositif expérimental mis en place et les perspectives de l'expérience.

Cette thèse étudie l'amplification<br />d'une image par un processus paramétrique. Réaliser cette<br />amplification de manière continue nécessite de placer le milieu<br />paramétrique dans une cavité optique. En théorie, cette<br />amplification est sans bruit, et permet de générer des états<br />non-classiques du champ.<br /><br />On étudie tout d'abord classiquement la propagation d'une image<br />dans un système paraxial, puis les cavités dégénérées<br />transversalement. On en déduit un formalisme permettant de décrire<br />la transmission d'une image à travers une cavité paraxiale<br />quelconque. Ce formalisme est illustré par l'étude théorique et<br />expérimentale de la transmission d'une image à travers une cavité<br />particulière : la cavité hémi-confocale. Une partie théorique<br />s'intéresse ensuite aux spécificités de l'amplification d'image.<br />L'amplificateur paramétrique en cavité sous le seuil<br />d'oscillation, connu pour générer du vide comprimé, peut également<br />amplifier un faible signal injecté. On montre l'apparition de<br />bruit supplémentaire sur le signal amplifié, spécifique à<br />l'amplification, dû au couplage au bruit de la pompe. On étudie<br />ensuite du point de vue quantique le comportement multimode<br />transverse d'un amplificateur paramétrique optique en cavité<br />hémi-confocale.<br /><br />Enfin, une partie expérimentale étudie le comportement d'un<br />oscillateur paramétrique optique confocal au dessus du seuil et on<br />prouve qu'il produit des faisceaux non-classiques multimodes<br />transverses. On montre ensuite qu'il est possible d'amplifier de<br />manière sensible à la phase un signal dans cette même cavité sous<br />le seuil d'oscillation. Dans une seconde expérience en<br />configuration de double cavité hémi-confocale, plus stable, on<br />réalise la première amplification paramétrique multimode d'une<br />image en cavité.