La mécanique quantique présente des propriétés étonnantes qui n'ont pas d'équivalent en physique classique. Ces propriétés sont au cœur des applications possibles de la mécanique quantique. Le thème principal de cette thèse est l'étude de deux des propriétés fondamentales de la mécanique quantique: la non-localité et la contextualité. Dans ce cadre, nous poursuivrons deux objectifs: premièrement, nous étudierons comment certains résultats obtenus pour les systèmes discrets peuvent être étendus aux systèmes décrits par des variables continues; deuxièmement nous étudierons comment il est possible de tester ces deux propriétés dans les systèmes quantiques décrits par des variables continues.Dans une première partie, nous étudions l'ensemble des distributions de probabilités locales et ``no-signaling'', c'est à dire qui ne permettent pas de transmettre d'information. Nous commençons par traduire le problème en terme de contraintes sur des espaces de mesures de probabilité. Nous introduisons ensuite un ensemble de mesures de probabilité qui sont les analogues en variables continues des probabilités découvertes par Popescu et Rohrlich dans le cas discret. Enfin, nous caractérisons l'ensemble des mesures de probabilité ``no-signaling''. Plus précisément, nous montrons que les mesures introduites sont des points extrémaux de l'ensemble des mesures de probabilité ``no-signaling'' et que leur enveloppe convexe est dense dans l'ensemble des mesures de probabilité ``no-signaling''. Dans une seconde partie nous nous intéressons à une preuve de la contextualité de la mécanique quantique dans une formulation qui ne dépend pas de l'état. Plus particulièrement, concernant l'inégalité de non-contextualité de Peres-Mermin, nous montrons qu'il est possible de la généraliser pour des observables définies sur des espaces de Hilbert de dimension arbitraire, voire infinie. Cette généralisation nous permet d'identifier les propriétés communes des observables qui conduisent à une violation maximale de l'inégalité de Peres-Mermin.En dernier lieu, nous nous intéressons à des états intriqués du champ électromagnétique de deux cavités. Ces états sont non-locaux et violent une inégalité de Bell formée de mesures de la parité déplacée. Nous étudions comment ces états peuvent être préparés et mesurés expérimentalement. Enfin, nous analysons l'effet des imperfections expérimentales et des pertes / Quantum mechanics has many intriguing properties that have no-classical analogs. These properties are at the heart of many quantum information protocols which offer the possibility to outperform their classical counterparts. This thesis is devoted to an investigation of two of the fundamental properties of quantum mechanics: non-locality and contextuality. The goal of this thesis is twofold. Firstly we will study how known results for discrete systems can be extended to continuous variables systems. Secondly, we will investigate how these properties can be tested in quantum systems characterized by continuous variables.Our work starts with an investigation of the set of local and no-signaling probability distributions. We develop a formalism for generic no-signaling black-box measurement devices with continuous outputs in terms of probability measures. We introduce the continuous-variable version of the famous Popescu-Rohrlich boxes and show that they violate the Tsirelson bound of an adequate continuous-variable Bell inequality. Finally, we perform a characterization of the geometry of the set of continuous-variable no-signaling correlations. More precisely, we show that the convex hull of those boxes is dense in the no-signaling set.We then study the contextuality of Quantum Mechanics in a state independent formulation. In particular, we study the Peres-Mermin state independent non-contextuality inequality, and show how it is possible to generalize the Peres-Mermin inequality to scenarios involving observables with an arbitrary number of outcomes. Specifically, we identify general conditions on the spectral decomposition of observables demonstrating state independent contextuality of quantum mechanics in this scenario.Lastly, we explore the non-local properties of entangled cat states, made of superpositions of coherent states stored in two spatially separated cavities. We show that even when taking into account the experimental imperfections such as the losses, a violation of local-realism is still possible, in the form of a violation of an appropriate Bell inequality

Ce travail de these presente les premiers resultats d'optique quantique, plus particulierement de statistique de photons, sur des boites quantiques uniques de la famille des semiconducteurs II-VI.<br />La motivation premiere de ces travaux est la recherche d'une source de photons uniques indiscernables adequate pour etre utiliser dans le cadre de l'information quantique, et plus particulierement de l'ordinateur quantique.

Cette thèse présente des études préliminaires visant à réaliser des mémoires quantiques dans des ions de terre rare en matrice cristalline. Les mémoires quantiques sont un élément essentiel de tout processus de traitement quantique de l'information. Si les photons sont les meilleurs vecteurs pour le transport d'information, les systèmes matériels représentent les meilleurs objets quantiques pour réaliser des opérations de stockage et de traitement de l'information. Les transitions Raman sont un processus intéressant pour réaliser le couplage lumière-matière car elles sont insensibles à la décohérence par émission spontanée. Les ions de terre rare ont été choisis car ils présentent des durées de vies de cohérence relativement longues. Dans ce manuscrit, après une présentation détaillée des différents ions de terre rare et des différentes matrices cristallines, on justifie le choix de travailler sur l'ion Thulium inséré dans un cristal de YAG. On discute ensuite de la façon de créer un système à trois niveaux efficace dans ce matériau à l'aide d'un champ magnétique. On présente les résultats expérimentaux de spectroscopie de l'ion Thulium en champ magnétique qui permettent de mesurer les facteurs gyromagnétiques du Thulium. On détaille la procédure de préparation du système à trois niveaux de façon à éliminer l'effet de l'élargissement inhomogène des transitions. On décrit enfin une première opération de manipulation cohérente d'un ensemble macroscopique d'ions Thulium, en utilisant un laser ultra-stable construit au laboratoire: l'opération de transfert adiabatique de population entre deux niveaux du système, par excitation cohérente "Sécante Hyperbolique Complexe".

Le spin électronique dans les semi-conducteurs fait actuellement l'objet de nombreuses investigations. Il pourrait en effet constituer, en tant que système quantique à 2 niveaux, l'élément de base d'un futur ordinateur quantique: un quantum-bit. Une des limites physiques d'un tel ordinateur provient en premier lieu de la décohérence de la superposition des états up et down de ce quantum-bit. La problématique est donc d'obtenir un système dans lequel ce temps de cohérence soit suffisamment long pour permettre de futures manipulations quantiques. Dans ce contexte, les boîtes quantiques semi-conductrices chargées avec un seul électron se présentent comme des candidats prometteurs. Ces systèmes, de part leur dimensions nanométriques, ont en effet la propriété de posséder une structure électronique discrétisée, ce qui supprime les principaux mécanismes responsables de la relaxation du spin. Ce travail de thèse tend donc à déterminer le temps de relaxation du spin dans une boîte.

Pour d non puissance d'un nombre premier, le nombre maximal de bases deux à deux décorrélées d'un espace de Hilbert de dimension d n'est pas encore connu. Dans ce mémoire, nous commençons par donner une construction de bases décorrélées en lien avec une famille de représentations irréductibles de l'algèbre de Lie su(2) et faisant appel aux sommes de Gauss.Puis nous étudions de façon systématique la possibilité de construire de telle bases au moyen des opérateurs de Pauli. 1) L'étude de la droite projective sur Zdm montre que, pour obtenir des ensembles maximaux de bases décorrélées à l'aide d'opérateurs de Pauli, il est nécessaire de considérer des produits tensoriels de ces opérateurs. 2) Les sous-modules lagrangiens de Zd2n, dont nous donnons une classification complète, rendent compte des ensembles maximalement commutant d'opérateurs de Pauli. Cette classification permet de savoir lesquels de ces ensembles sont susceptibles de donner des bases décorrélées : ils correspondent aux demi-modules lagrangiens, qui s'interprètent encore comme les points isotropes de la droite projective (P(Mat(n, Zd)²),ω). Nous explicitons alors un isomorphisme entre les bases décorrélées ainsi obtenues et les demi-modules lagrangiens distants, ce qui précise aussi la correspondance entre sommes de Gauss et bases décorrélées. 3) Des corollaires sur le groupe de Clifford et l'espace des phases discret sont alors développés.Enfin, nous présentons quelques outils inspirés de l'étude précédente. Nous traitons ainsi du rapport anharmonique sur la sphère de Bloch, de géométrie projective en dimension supérieure, des opérateurs de Pauli continus et nous comparons l'entropie de von Neumann à une mesure de l'intrication par calcul d'un déterminant.

Cette thèse s'inscrit dans le domaine général de l'information quantique, qui cherche à tirer parti des lois de la mécanique quantique pour proposer des protocoles de traitement de l'information originaux. Ce travail se focalise sur l'un des systèmes les plus prometteurs en terme d'information quantique : les ions uniques confinés dans des pièges radio-fréquence et refroidis par laser. Une étude théorique a permis de proposer un protocole original d'échange d'état intriqués sur de longues distances, utilisant des ions piégés. L'étude de la miniaturisation des dispositifs de piégeage, permettant d'envisager la construction de futurs ordinateurs quantiques, passe par la compréhension de l'effet des défauts des électrodes sur un ion piégé : cette thèse propose un modèle analytique original permettant de calculer la loi d'échelle de l'effet des bruits électriques avec la taille du piège. Ce modèle servira à optimiser le protocole de fabrication de pièges miniatures, dont les premiers échantillons ont été réalisés et sont en cours de test sur un dispositif expérimental dédié (enceinte à vide, électronique de contrôle et sources laser de refroidissement). Les premiers résultats prometteurs ont permis de démontrer le piégeage et le refroidissement d'ion uniques de Strontium refroidis par laser, dans un piège de Paul linéaire macroscopique.

Les techniques de refroidissement laser ont réalisé des progrès immenses depuis le début des années 80. Affranchis de toutes les incertitudes inhérentes au mouvement thermique, les physiciens sont désormais en mesure de réaliser des dispositifs de mesure toujours plus précis, tels des horloges ou des gravimètres, en s'appuyant sur l'interaction parfaitement contrôlée entre le champ électromagnétique et de simples nuages d'atomes. De plus en plus, l'utilisation d'atomes ou d'ions comme ultime porteurs d'information apparait comme une solution plausible à la réalisation d'ordinateurs quantiques. Dans cette optique, de nombreux efforts sont consentis afin de miniaturiser, de simplifier, et de rendre possible la production en masse de cette technologie permettant de manipuler les atomes avec tant de précision. L'introduction des puces à atomes a permis de réaliser un grand pas dans cette direction, réduisant drastiquement l'encombrement et le coût des expériences de refroidissement d'atomes. Désormais, la réalisation de dispositifs sur puce permettant d'étendre les possibilités de manipulation des atomes piégés est devenue un objectif majeur. <br> Dans ce travail de thèse, nous avons réalisé le premier détecteur d'atomes uniques piégés sur une puce à atomes, basé sur l'interaction avec un mode de cavité optique dans le régime de couplage fort. La cavité optique est directement intégrée à la puce à atomes. Fonctionnant dans le régime de détection dite "non-destructive", le dispositif de détection permet de préparer de manière déterministe un atome unique piégé dans un piège dipolaire, avec une précision en position submicrométrique, et dans un état interne spécifique. La détection en tant que telle permet de mesurer l'état hyperfin de l'atome, en perturbant son état externe nettement moins qu'un système de détection fonctionnant en espace libre. <br> Ce nouveau dispositif de préparation et de mesure est utilisé dans une expérience d'effet Zénon quantique, la première à être effectuée avec des atomes neutres individuels. Sous l'effet de la mesure, l'oscillation de Rabi entre les deux sous-niveaux hyperfins $\s{F=1}$ et $\s{F=2}$ du niveau fondamental de l'atome de Rubidium 87 est stoppée. L'expérience, effectuée à la fois dans le régime continu et le régime pulsé, permet de montrer l'adéquation entre le flux d'information extraite du système et le flux de photons traversant la cavité optique de détection.

Dans ce mémoire, nous démontrons la préparation et la détection d'atomes uniques sur une puce à atomes intégrant un résonateur optique de haute finesse. L'atome est extrait d'un condensat de Bose-Einstein et piégé à une position de couplage maximum au résonateur. Nous mesurons le spectre du système atome-cavité et démontrons qu'il se situe dans le régime de couplage fort. Ceci nous permet d'utiliser la transmission et la réflexion du résonateur pour déduire l'état hyperfin de l'atome. Nous obtenons une fidélité de détection de 99.93% avec un temps de détection de 100 microsecondes. L'atome reste piégé pendant la détection. Ces caractéristiques sont comparables à celles obtenues ans les expériences avec des ions piégés. Nous mesurons également le taux de diffusion de photons pendant la détection, et démontrons que nous détectons l'état interne de l'atome avec une erreur inférieure à 10% en diffusant en moyenne moins de 0.2. Pour conclure la caractérisation du processus de détection, nous analysons la projection de l'état atomique due à la mesure en effectuant une expérience de type Zeno quantique. Nous démontrons que chaque photon incident sur la cavité réduit la cohérence de l'état atomique d'un facteur 0.7. La détection présentée est donc proche d'une mesure projective idéale pour un système quantique à deux niveaux.

Depuis 20 ans, l'information quantique a profondément changé notre façon d'appréhender la physique atomique, ainsi que la nature des ressources utiles au calcul. Cette thèse aborde trois aspects relatifs à l'information quantique: - Le phénomène de décohérence -- responsable de la transition quantique-classique -- est décrit quantitativement grâce à l'analyse de l'information mutuelle entre deux systèmes quantiques ; - Une nouvelle classe de codes correcteurs d'erreurs quantiques -- les codes convolutifs -- est introduite en detail et il est montré qu'elle partage les propriétés des codes convolutifs classiques (codage et décodage en ligne, algorithme efficace d'estimation d'erreurs au maximum de vraisemblance, existence de condition nécessaire et suffisante pour l'absence d'erreur catastrophique, etc.) ; - Quelques propositions expérimentales de manipulation d'information quantique sont décrites (porte de Toffoli et clonage universel pour l'électrodynamique quantique en cavité).

La maitrise de l'information représente un avantage concurrentiel de nos jours. Malgré une intensification des moyens développés pour protéger les flux de données, il n'est actuellement pas possible d'échanger à distance et de façon complètement sure, une information entre deux interlocuteurs. Néanmoins, des travaux menés par Bennett et Brassard ont montré qu'il est possible d'atteindre un niveau de sécurité maximum en utilisant un protocole quantique de transmission de l'information. Ce protocole se base sur l'utilisation de réseaux télécom utilisant des répéteurs quantiques à la place des répéteurs classiques. La voie étudiée dans cette thèse, réalisée en partie dans le cadre du projet européen QuRep, a pour but l'amélioration des connaissances sur les monocristaux dopés aux ions de terre rare qui sont des candidats de choix pour la mise au point de répéteurs quantiques. Deux grands axes ont émergés : dans un premier temps nous avons essayé de comprendre quels sont les facteurs de succès et limitatifs dans l'utilisation du cristal de Nd : YSO en tant qu'hôte pour les mémoires quantiques avec pour objectif le transfert de la cohérence électronique vers des niveaux hyperfins. Dans un second temps, nous avons étudié un cristal présentant une structure hyperfine directement accessible en optique, Er : YLF afin de vérifier sa potentielle utilisation pour les mémoires quantiques. Ces travaux ont permis, entre autre, de réaliser un transfert de cohérence d'un niveau Zeeman électronique vers un niveau hyperfin avec un temps de stockage de plus de 300 µs, ce qui permet d'envisager une mémoire quantique dans Nd : YSO permettant de réémettre un photon à la demande.