Le point principal de cette étude est l'existence du moment cinétique de Casimir d'un point de vue microscopique, montrée à l'aide d'un modèle comprenant un oscillateur harmonique soumis à des champs électrique et magnétique externes, croisés, homogènes de façon à obtenir les propriétés d'un milieu bi-anisotrope, en interaction avec les fluctuations quantiques du vide. Nous avons donné un ordre de grandeur de la vitesse de l'oscillateur attendue pour des conditions expérimentales raisonnables. Nous trouvons une contribution classique due aux champs externes de l'ordre de 0,1 micromètre par seconde et une contribution quantique attribuée aux fluctuations du vide de l'ordre de 2 nanomètre par seconde. Dans le cas d'un atome d'hydrogène en mouvement, où la bi-anisotropie est due à l'effet Fizeau, nous trouvons que l'effet du couplage avec le vide donne une correction de masse en accord avec le principe d'équivalence masse-énergie d'Einstein, à température nulle ou non-nulle. Dans le cas de deux atomes en mouvement dans le vide, nous donnons la marche à suivre dans le but de montrer que l'énergie de Casimir entre les deux atomes, c'est-à-dire liée aux forces de Van der Waals, participe de la même façon à la masse inertielle de l'ensemble. Cette approche confirme que le moment de Casimir n'est pas exclu voire même réclamé par les principes de la relativité restreinte. Nous nous sommes intéressés au cas de l'énergie Casimir d'une boule diélectrique diluée. Un calcul numérique de l'énergie associée aux forces de Van der Waals, dont l'équivalence avec l'énergie de Casimir a été montrée par ailleurs, nous a permis de déterminer l'énergie totale de la boule en fonction de son rayon. Nous déterminons les termes associés à la chaleur latente et à la tension de surface. Nous trouvons ensuite un terme variant de façon linéaire avec le rayon, en désaccord avec les méthodes de renormalisation utilisées avec une description continue. Ce désaccord est expliqué par la description continue de la matière où les interactions à courte distance sont surévaluées et conduisent à des termes divergents non considérés par la renormalisation.

Résumé : Ce mémoire rapporte les premières mesures de fluctuations de courant émises par une jonction tunnel sur une large bande passante, de 0.3 à 13 GHz, à une température très basse de 35 mK. Cela nous a permis de réaliser la spectroscopie (i.e. mesurer la dépendance en fréquence) du bruit thermique (tension de polarisation nulle, température variable), bruit de grenaille (basse température, tension de biais variable) et bruit photo-assisté (tension de polarisation AC). Grâce à la large bande passante de nos mesures, nous pouvons calculer le corrélateur courant-courant dans le domaine temporel. Nous observons le déclin thermique de ce corrélateur ainsi que ses oscillations de période h/eV, une conséquence directe du principe de Pauli sur le transport quantique. // Abstract : This thesis reports the first measurements of the current fluctuations emitted by a tunnel junction with a very wide bandwidth, from 0.3 to 13 GHz, down to very low temperature T=35 mK. This allowed us to perform the spectroscopy (i.e., measure the frequency dependence) of thermal noise (no dc bias, variable temperature), shot noise (low temperature, variable dc voltage bias) and photon-assisted noise (ac bias). Thanks to the very wide bandwidth of our measurement, we can deduce the current-current correlator in time domain. We observe the thermal decay of this correlator as well as its oscillations with a period h/eV, a direct consequence of the effect of the Pauli principle in quantum transport.

Nous proposons de montrer que la signature Lorentzienne de la métrique d'espace-temps (+++-) n'est plus fixe à l'échelle de Planck lp et présente des "oscillations quantiques" entre les formes Lorentzienne et Euclidienne (+++±) jusqu'à l'échelle 0 où elle prend la forme Euclidienne (+ + + +). 1- Au plan algébrique, nous suggérons l'existence d'un "chemin de fluctuation" (3, 1)-(4, 0) excluant la signature ultra-hyperbolique (2, 2). Nous construisons l'espace topologique quotient *top décrivant la superposition des métriques Lorentzienne et Riemannienne. Nous montrons que *top comporte un point singulier S correspondant à l'origine de l'espace de superposition. En termes de groupes quantiques, nous établissons le lien entre q-déformation et "déformation" de la signature, notre principal résultat étant la construction du nouveau produit bicroisé cocyclique Mc(H). Une telle construction nous a permis de réaliser l'unification des signatures Lorentzienne et Euclidienne au sein du produit bicroisé cocyclique entre le groupe quantique Lorentzien Uq(so(3, 1)) et le groupe quantique Euclidien Uq(so(4))op. Nous suggérons aussi que la "semidualisation" de Majid décrit la transition q-Euclidien Æ q-Lorentzien. De même, la q-déformation de l'espace-temps indique que les structures naturelles Rq(4) et Rq(3,1) , covariantes sous Uq(so(4)) et Uq(so(3, 1)) sont reliées par semidualité. 2- Au plan physique, dans le cadre de la supergravité N=2, nous considérons qu'à l'échelle de Planck, le (pré)espace-temps est en état KMS (Kubo-Martin-Schwinger), le paramètre d'échelle ß du système étant complexe. L'algèbre de von Neumann associée à l'état non trivial des mesures sur la métrique à l'échelle de Planck est un facteur sans trace, de type IIIl. Nous étendons alors à l'échelle de supergravité la gravité relativiste et adoptons le Lagrangien L-supergravité = R2 + ßR + RR* incluant des termes de courbure quadratiques en R2, avec une composante physique (le terme d'Einstein ) associée à la signature Lorentzienne et une composante topologique (le terme topologique ) associée à la signature Euclidienne. La limite infrarouge de la théorie de superposition est alors donnée, à l'échelle de Planck, par le terme en R (+++-) tandis que la limite ultraviolette est donnée, à ß = 0, par le terme topologique RR* (++++). Nous proposons une dualité nouvelle entre instantons (secteur topologique) et monopôles (secteur physique) en dimension 4 représentant la superposition des métriques. 3- Au plan cosmologique, nous décrivons la Singularité Initiale de l'espace-temps par l'invariant topologique Is = Tr(-1)S, analogue au premier invariant de Donaldson. La Singularité Initiale, dont nous proposons la solution dans le cadre de la théorie topologique des champs, est ici identifiée à un instanton gravitationel singulier de rayon r = 0. Les observables physiques sont alors remplacées, à l'échelle 0, par des cycles d'homologie dans l'espace des modules des instantons. Nous conjecturons l'existence d'une amplitude topologique associée à une phase "d'expansion topologique" du pré-espace-temps de l'échelle 0 à l'échelle de Planck, précédant la phase d'expansion conventionnelle. L'expansion topologique du pré-espace-temps à partir de l'échelle 0 devrait alors correspondre à une pseudo-dynamique en temps imaginaire, que nous décrivons par le semi-groupe à un paramètre des automorphismes de l'algèbre M0,1 des pseudo-observables du système, M0,1 est un facteur à trace de type II*, associé à l'état ergodique de la mesure au voisinage de la Singularité Initiale.

Cette thèse comprend une analyse d'un système de N bosons de masse m, à une dimension (1D). Vue des efforts expérimentaux récents et de la perspective d'étudier plusieurs effets quantiques intéressants, nous choisissons une géométrie circulaire avec une circonférence L. Un potentiel extérieur dépendant du temps nous permet d'introduire un mécanisme qui change l'état du moment angulaire des bosons. Ce potentiel est de la forme d'une fonction delta de Dirac qui se déplace le long de l'anneau à une vitesse v et la force de ce potentiel vaut U_0. Il peut être vu comme une barrière qui met les bosons en rotation. Les interactions entre les bosons sont des interactions de contact, décrites dans le modèle de Lieb et Liniger. Puisque le potentiel extérieur ne garde pas la symétrie de translation de L'Hamiltonien du système l'équation de Schrödinger n'est pas résoluble de manière exacte en utilisant un Ansatz de Bethe. Cependant, dans les limites des bosons libres et des bosons impénétrables de Tonks et Girardeau des méthodes alternatives existent pour trouver une solution exacte. Le but de cette thèse est de résoudre l'équation de Schrödinger dans ces cas limites. La solution nous permet d'accéder aux observables intéressantes concernant les propriétés superfluides des bosons libres et du gaz de Tonks. Nous effectuons une analyse du courant des particules, de ses fluctuations et de la force de traînée. Nous trouvons un comportement superfluide en-dessous d'une vitesse critique v_c=ħπ/(mL) de la barrière. Une oscillation du courant et la force de traînée est observée pour une vitesse de la barrière v=n*v_c, avec n un entier naturel. De plus, nous étudions la nature de l'état quantique du gaz de Tonks. Dans les analyses de la distribution des impulsions, de la fonction de Wigner et des images ``temps de vol'' pour une vitesse de la barrière v=n*v_c, on trouve que l'état du système est une superposition macroscopique de deux sphères de Fermi, l'une centrée autour de l'impulsion égale à zéro et l'autre autour de l'impulsion égale à 2q, avec q=mv/ħ. Cet état est un état fortement corrélé, non-classique car la fonction de Wigner atteint des valeurs négatives. / Recent experimental activities of boson trapping on a ring geometry open the way to explore a novel topology. We focus on a tight ring trap with strong transverse confinement leading to an effectively one-dimensional motion along its circumference. We consider a strongly interacting bose gas on the ring subjected to a localized barrier potential which is suddenly set into motion. The Bose-Fermi mapping allows to obtain an exact solution for the many-body wavefunction in the impenetrable-boson (Tonks-Girardeau) limit of infinitely strong interactions between the particles with arbitrary external potential, not treatable with the Bethe Ansatz. Using the time-dependent extension to BF mapping an exact solution for the dynamical evolution of the many-body wavefunction is obtained. The exact solution allows to calculate the particle current, the particle current fluctuations and the drag force acting on the barrier. In the weak barrier limit the stirring drives the system into a state with net zero current and vanishingly small current fluctuations for velocities smaller than v_c=ħπ/(mL), with m the atomic mass and L the ring circumference. The existence of a velocity threshold for current generation indicates superfluid-like behavior of the mesoscopic Tonks-Girardeau gas, different from the non-superfluid behavior predicted for the TG gas in an infinite tube. At velocities approaching integer multiples of v_c angular momentum can be transferred to the fluid and a nonzero drag force arises. At these velocities we predict the formation of a macroscopic superposition of a rotating and a nonrotating Fermi sphere of the mapped Fermi gas. We calculate the momentum distribution, time of flight images and the Wigner function of the Bose gas, the latter allowing to identify quantum interferences in the superposition. We find that the barrier velocity should be larger than the sound velocity for a better discrimination of the two components of the superposition.

(Thèse en anglais) Nous présentons deux expériences qui mettent en évidence une réduction du bruit d'intensité de la lumière en dessous de la limite quantique normale. Dans la première expérience, nous avons mettons en évidence une réduction de 86 % dans le bruit mesuré sur la différence entre les intensités des deux faisceaux "jumeaux" produits par un Oscillateur Paramétrique Optique. Dans la seconde expérience, nous exploitons cette corrélation d'intensité entre les faisceaux jumeaux : la mesure de l'intensité d'un des faisceaux jumeaux est utilisée pour réduire les fluctuations d'intensité de l'autre faisceau par une méthode de correction électro-optique. Nous avons ainsi obtenu un seul faisceau dont le bruit d'intensité est réduit de 24% en dessous du bruit quantique normal, ou bruit de grenaille. Nous présentons en outre une analyse théorique générale pour les deux expériences, en faisant appel à un modèle semi-classique de type entrée-sortie : sont étudiées successivement des configurations dans lesquelles la correction est appliquée directement sur l'autre faisceau (correction en aval), ou indirectement sur le laser de pompe (correction en amont). Nous calculons la réduction de bruit maximale qui peut être obtenue par de tels systèmes d'asservissement et détaillons les limites imposées par les contraintes de causalité et de stabilité. Pour terminer, nous démontrons l'équivalence, dans la limite des petites fluctuations, entre le modèle semiclassique et un modèle "corpusculaire" de description des photons. Une simulation numérique de type Monte-Carlo corrobore ce résultat.

Nous avons étudié les fluctuations quantiques du champ électromagnétique ayant interagi avec un nuage d'atomes froids placé à l'intérieur d'une cavité optique. Proche de résonance, le milieu atomique se comporte comme un milieu non-linéaire en raison de la saturation de la transition optique. Lorsque le faisceau incident est polarisé linéairement, cette saturation se traduit par un effet de type Kerr sur le champ moyen et de type Kerr-croisé sur le mode vide orthogonal. Ces effets non-linéaires modifient les fluctuations de ces modes du champs. Nous avons alors pu observer la réduction du bruit sous la limite quantique standard sur ces deux modes.<br /> Nous avons interprété la réduction de bruit sur le mode vide orthogonal en terme de réduction du bruit de polarisation du faisceau. Les fluctuations de polarisation ont été caractérisées par la mesure des fluctuations des paramètres de Stokes.<br /> Par ailleurs, nous avons étudié les corrélations quantiques produites par le système. Ces corrélations ont été estimées à l'aide d'un critère de nonséparabilité, valable pour les variables continues. Nous avons alors montré que les modes polarisés à °45° (par rapport au champ moyen) sont intriqués en quadrature. Cette intrication a ensuite été utilisée pour produire deux faisceaux intriqués en polarisation.

Les lasers femtoseconde sont des sources de très haute précision pour la métrologie. La possibilité de produire des états comprimés dans ce régime pourrait conduire à une amélioration des mesures physiques. Dans une première partie, j'introduirai une limite de sensibilité pour l'estimation de paramètres portés par le champ électromagnétique, utilisant des ressources gaussiennes quelconques. Il peut être montré qu'un état comprimé monomode, sur un mode bien défini, est optimal d'un point de vue expérimental. Je présenterai alors un schéma simple et général, utilisant une détection homodyne, qui permet de mesurer de façon optimale des paramètres portés par le champ électromagnétique. Dans une seconde partie, je présenterai les résultats expérimentaux que nous avons obtenus en utilisant un oscillateur paramétrique optique femtoseconde pompé de façon synchrone. J'exposerai la production d'états comprimés en intensité dans ce régime ainsi que la preuve du caractère multimode de la lumière produite. Ceci constitue une étape majeure pour la production d'états multimodes sur mesure en régime femtoseconde.

Cette thèse comprend une analyse d'un système de N bosons de masse m, à une dimension (1D). Vue des efforts expérimentaux récents et de la perspective d'étudier plusieurs effets quantiques intéressants, nous choisissons une géométrie circulaire avec une circonférence L. Un potentiel extérieur dépendant du temps nous permet d'introduire un mécanisme qui change l'état du moment angulaire des bosons. Ce potentiel est de la forme d'une fonction delta de Dirac qui se déplace le long de l'anneau à une vitesse v et la force de ce potentiel vaut U_0. Il peut être vu comme une barrière qui met les bosons en rotation. Les interactions entre les bosons sont des interactions de contact, décrites dans le modèle de Lieb et Liniger. Puisque le potentiel extérieur ne garde pas la symétrie de translation de L'Hamiltonien du système l'équation de Schrödinger n'est pas résoluble de manière exacte en utilisant un Ansatz de Bethe. Cependant, dans les limites des bosons libres et des bosons impénétrables de Tonks et Girardeau des méthodes alternatives existent pour trouver une solution exacte. Le but de cette thèse est de résoudre l'équation de Schrödinger dans ces cas limites. La solution nous permet d'accéder aux observables intéressantes concernant les propriétés superfluides des bosons libres et du gaz de Tonks. Nous effectuons une analyse du courant des particules, de ses fluctuations et de la force de traînée. Nous trouvons un comportement superfluide en-dessous d'une vitesse critique v_c=ħπ/(mL) de la barrière. Une oscillation du courant et la force de traînée est observée pour une vitesse de la barrière v=n*v_c, avec n un entier naturel. De plus, nous étudions la nature de l'état quantique du gaz de Tonks. Dans les analyses de la distribution des impulsions, de la fonction de Wigner et des images ''temps de vol'' pour une vitesse de la barrière v=n*v_c, on trouve que l'état du système est une superposition macroscopique de deux sphères de Fermi, l'une centrée autour de l'impulsion égale à zéro et l'autre autour de l'impulsion égale à 2q, avec q=mv/ħ. Cet état est un état fortement corrélé, non-classique car la fonction de Wigner atteint des valeurs négatives.

Ce travail de thèse se consacre à l'étude théorique et expérimentale de la génération de corrélations quantiques dans le régime des variables continues par mélange à 4 ondes dans une vapeur atomique. Deux approches théoriques complémentaires sont développées. D'une part, nous étudions le mélange à 4 ondes sous le point de vue de l'optique non-linéaire "classique" afin d'obtenir les équations d'évolution d'un amplificateur idéal pour un milieu de susceptibilité diélectrique chi(3). D'autre part, nous présentons un modèle microscopique à 4 niveaux en double-Lambda permettant de calculer le coefficient chi(3) pour une vapeur atomique en présence de laser, et ainsi obtenir théoriquement les spectres de bruit en intensité des grandeurs observées. La mise en oeuvre expérimentale de ce processus sur la raie D1 du rubidium 85 est ensuite détaillée. Nous présentons notamment un taux de compression sous la limite quantique standard de -9.2dB, ainsi qu'un régime original permettant la génération de corrélations quantiques sans amplification. L'ensemble de ces résultats a des applications très importantes dans le domaine de l'optique quantique multimode. Citons par exemple l'imagerie quantique ou les mémoires quantiques multimodes.

Ce mémoire de thèse est consacré à l'étude théorique et expérimentale d'oscillateurs paramétriques optiques (OPO) multimodes dans deux régimes: l'optique des images et l'optique des impulsions. On rappelle les outils utilisés habituellement pour décrire et manipuler les états non-classiques de la lumière, en insistant sur l'importance du concept de mode du champ dans sa description quantique, qu'il soit transverse ou longitudinal. On rappelle ensuite les techniques de manipulation des modes transverse (images) et des modes longitudinaux (impulsions) au niveau théorique et expérimental. L'accent est mis sur le rapprochement de ces deux domaines où l'on peut facilement identifier un grand nombre de variables similaires. Un modèle général des OPO multimodes est développé, s'appuyant sur un traitement multimode de la conversion paramétrique dans un cristal non-linéaire d'ordre deux. Ce modèle conduit à des états non-classiques multimodes, intéressants pour l'information quantique, et peut être appliqué aux cas d'un OPO dans une cavité dégénérée pour les modes transverses, et d'un OPO pompé en modes synchrones (SPOPO). Tous ces développements théoriques s'orientent vers plusieurs expériences d'optique multimode décrites dans ce manuscrit. La première est une étude de la transmission et le doublage de fréquence d'images dans une cavité auto-imageante. Deux expériences d'imagerie quantique sont ensuite décrites: l'une conduit à une réduction de bruit multimode dans un OPO au dessus du seuil et la seconde utilise un OPO dans une cavité auto-imageante et permet la production et la caractérisation d'un état trimode sous le seuil de l'OPO. Enfin, on décrit la mise en place expérimentale d'un SPOPO qui conduit à des premiers résultats de réduction de bruit sur un peigne de fréquence.