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.

Les états de bord sont des canaux de transport unidimensionnels qui se développent dans des puits quantiques en régime d'Effet Hall entier, avec de remarquables propriétés de chiralité et de cohérence quantique. Dans cette thèse nous présentons l'idée d'une manipulation de courants électroniques mettant en jeu le mélange de deux canaux de bord co-propageants, et nous discutons son impact potentiel pour l'interférométrie quantique et le transport de qubits de spin. Nous présentons les caractéristiques des états de bord et évaluons l'effet de potentiels locaux et non-adiabatiques, et de leur efficacité pour transférer la charge entre les deux canaux. Il est montré que des variations rapides du potentiel, d'amplitude plus petite que le gap de Landau, donnent lieu à un faible mélange, et nous identifions des stratégies expérimentales permettant d'atteindre un bon pourcentage de mélange. Nous développons des techniques de simulation numérique afin de modéliser de expériences qui mettent en jeu des canaux avec mélange, ainsi que des méthodes analytiques permettant de traiter les interactions coulombiennes entre états de bord, en vue de futures expériences d'interférométrie de spin. / Edge states are one-dimensional transport channels, emerging in quantum wells in the integer Quantum Hall regime, with remarkable properties of chirality and quantum coherence. In this thesis we present the idea of manipulating electronic currents mixed over two co-propagating edge channels, and discuss its potential impact for quantum interferometry and transport of spin-qubit states. We introduce the characteristics of edge states and evaluate the effect of local, non adiabatic potentials and their efficiency to transfer charge between two channels. We show that sharp potential variations whose energies are smaller than the Landau gap provide weak mixing, and we identify some experimental strategies that can achieve good mixing percentages. We develop numerical techniques of simulation to model existing experiments that employ mixed edge channels, and analytical methods in order to treat the effect of Coulomb interactions between edge states in a future spin-interferometry experiment.

Dans une première partie introductive, nous rappelons la description théorique de la propagation de faisceaux optiques en terme des modes solutions de l'équation de propagation dans l'approximation paraxialle. Dans ce cadre, nous présentons les notions de moment cinétique transporté par les faisceaux lumineux, et de sa décomposition en moment cinétique intrinsèque (ou spin) et en moment angulaire.La seconde partie est consacrée au codage de l'information dans les degrés de libertés de polarisation et de modes transverses des faisceaux optiques. Les modes spin-orbites sont définis et un dispositif expérimental optique pour produire ces modes est présenté. Les modes spin-orbites sont alors exploités pour implémenter un protocole de distribution de clés BB84 ne nécessitant pas le partage à priori d'une base de référence.Dans une troisième partie, nous proposons un critère de type inégalité de Bell, qui constitue une condition suffisante pour caractériser la non-séparabilité en spin-orbite d'un faisceau optique classique. Nous montrons ensuite que la notion de modes spin-orbite séparable ou non-séparable constitue une analogie pertinente avec la notion d'intrication d'états quantiques et permet l'étude de certaines de ses propriétés fondamentales. Enfin, une implémentation expérimentale de cette simulation de tests de Bell avec des faisceaux optiques classiques est présentée, ainsi que sa description détaillée dans le cadre de l'optique quantique.Dans une dernière partie, nous nous intéressons à des inégalités de Bell, pour des états quantiques de systèmes quantiques à deux parties, qui sont caractérisées chacune par une variable continue de type angulaire (périodique). Nous montrons comment détecter la non-localité sur ce type de système, avec des inégalités qui sont similaires aux inégalités CHSH; inégalités qui avaient été développées originellement pour des systèmes de type spin 1/2. Nos inégalités, sont construites à partir de la mesure de la corrélation de fonctions angulaires. Nous montrons qu'elles sont en fait la superposition continue d'inégalités CHSH de type spin 1/2. Nous envisageons une possible implémentation expérimentale, où les corrélations mesurées sont les corrélations angulaires du profil transverse des photons intriqués. / We shall present a theoretical description of paraxial beams, showing the propagation modes that arise from the solution of the paraxial equation in free space. We then discuss the angular momentum carried by light beams, with its decomposition in spin and orbital angular momentum and its quantization. We present the polarization and transverse modes of a beam as potential degrees of freedom to encode information. We define the Spin-Orbit modes and explain the experimental methods to produce such modes. We then apply the Spin-Orbit modes to perform a BB84 quantum key distribution protocol without a shared reference frame.We propose a Bell-like inequality criterion as a sufficient condition for the spin-orbit non-separability of a classical laser beam. We show that the notion of separable and non-separable spin-orbit modes in classical optics builds a useful analogy with entangled quantum states, allowing for the study of some of their important mathematical properties. We present a detailed quantum optical description of the experiment in which a comprehensive range of quantum states are considered.Following the study of Bell's inequalities we consider bipartite quantum systems characterized by a continuous angular variable θ. We show how to reveal non-locality on this type of system using inequalities similar to CHSH ones, originally derived for bipartite spin 1/2 like systems. Such inequalities involve correlated measurement of continuous angular functions and are equivalent to the continuous superposition of CHSH inequalities acting on two-dimensional subspaces of the infinite dimensional Hilbert space. As an example, we discuss in detail one application of our results, which consists in measuring orientation correlations on the transverse profile of entangled photons.

La réalisation d’un ordinateur quantique est l’un des objectifs scientifiques les plus ambitieux et prometteurs de ce début de siècle.La force du calcul quantique réside dans sa capacité à se placer dans une superposition d’états et à utiliser les interférences entre eux pour dépasser la limite intrinsèque des ordinateurs classiques, qui est la description discrète des phénomènes physiques pourtant continus. Cela leur permettrait théoriquement de simplifier et de résoudre des problèmes insolubles pour les ordinateurs classiques.La première étape dans la réalisation d’un ordinateur quantique est sa brique de base : le bit-quantique, ou qubit. Il s’agit de l’analogue quantique du bit classique, qui permet de stocker l’information sous la forme de 0 ou de 1. Dans le cas quantique, l’information est formée par la superposition de ces deux états, en un nombre infini de possibilités. Si cette étape a été réalisée à de nombreuses reprises par la communauté, en utilisant des qubits de différentes natures, le couplage entre plusieurs d’entre eux reste difficile et limité en nombre. En effet, le système quantique ainsi formé a tendance à perdre sa cohérence ; ou dit autrement, à se détruire.Parmi les nombreuses possibilités de qubit existant, j’utilise le spin nucléaire. Ils ont l’avantage d’être relativement bien découplés de leur environnement, ce qui permet de les protéger des sources extérieures de décohérence et ainsi d’avoir un temps de vie supérieur aux spins électroniques.Cet avantage a un prix : il est plus difficile d’accéder à leur lecture.Pour ce faire, j’ai fabriqué un transistor moléculaire afin de connecter une molécule unique à deux centres magnétiques, le Tb2Pc3, aux électrodes de source et drain. L’aimant monomoléculaire utilisé possède deux centres magnétiques (les ions Tb3+) dont les spins électroniques J=6 sont couplés entre eux via une interaction dipolaire. De plus, chacun d’entre eux est couplé à son spin nucléaire I=3/2 via l’interaction hyperfine. On a ainsi un couple de deux qudits (d=4), ce qui porte la dimension de l’espace de Hilbert à 16, et ce à l’intérieur d’une unique molécule.Dans un premier temps, j’ai élaboré le diagramme Zeeman de la molécule, qui est sa réponse énergétique à un champ magnétique extérieur. Je détaille ensuite la fabrication des échantillons, et notamment l’utilisation de la technique d’électromigration. Je présente ensuite les mesures en transport électrique, aux très basses températures (milliKelvins) et sous champ magnétique, qui permettent de détecter le retournement du couple de spins électroniques, dont la position est dépendante de l’état du couple de spins nucléaires : c’est ainsi qu’est réalisée la lecture des états du couple de qudits.Une étude de la dynamique du système est alors réalisée par des mesures de corrélations entre la position des retournements des spins électroniques entre deux balayages consécutifs. On obtient ainsi, à la fois une meilleure visualisation des états du système, mais aussi de sa relaxation entre deux balayages en champ magnétique.Enfin, j’ai pu extraire sa température effective à l’aide d’une distribution de Maxwell-Boltzmann. De l’ordre de 300 mT, elle est cohérente avec la littérature, ainsi qu’avec celles extraites sur deux autres transistors moléculaires obtenus à d’autres moments de ma thèse.En résumé, cette thèse montre pour la première fois l’utilisation d’un transistor à molécule unique pour accéder à lecture d’un couple de qudits. Le grand nombre de molécules existantes, et le grand nombre de qubits ou qudits qui pourrait y être couplé, fait de la spintronique moléculaire une voie très prometteuse vers de possibles futurs ordinateurs quantiques moléculaires.La prochaine étape sera d’opérer la manipulation cohérente d’un tel système, notamment via l’utilisation de l’effet Stark, comme cela a déjà été réalisé à l’aide d’une molécule ne comportant qu’un centre magnétique. / The realization of a quantum computer is one of the most ambitious and promising scientific objectives of the beginning of this century.The strength of quantum computing lies in its ability to use a superposition of states and the interferences between them to overcome the intrinsic limit of classical computers, which is the discrete description of the continuous physical phenomena. This would theoretically allow them to simplify and solve impossible problems for conventional computers.The first step in the realization of a quantum computer, is its basic block: the quantum-bit, or qubit. It is the quantum analogue of the classical bit, which stores information in the form of 0 or 1. In the quantum case, information is formed by the superposition of these two states, leading to an infinity of possibilities. If this step has been done many times by the community, using qubits of different natures, the coupling between several of them remains difficult and limited in number. Indeed, the quantum systems thus formed tend to lose their coherence; or said otherwise, to destroy itself.Among the many possibilities of existing qubit, I have used the nuclear spin. They have the advantage of being relatively well decoupled from their environment, which makes it possible to protect them from external sources of decoherence, and thus to have a longer lifetime than electronic spins.This advantage has a price: it is more difficult to access their reading.To do this, I have made a molecular transistor to connect a single molecule possessing two magnetic centers, the Tb2Pc3, to the source and drain electrodes. The monomolecular magnet used has two magnetic centers (the Tb3 + ions), whose electronic spins J = 6, are coupled to each other via a dipolar interaction. In addition, each of them is coupled to its nuclear spin I = 3/2 via the hyperfine interaction. We thus have a pair of two qudits (d = 4), which brings the size of the Hilbert space to 16, and this inside a single molecule.At first, I have developed the Zeeman diagram of the molecule, which is its energy response to an external magnetic field. Then, I detail the manufacture of the samples, and in particular the use of the electromigration technique. Next, I present the electrical transport measurements, at very low temperatures (milliKelvins) and under a magnetic field, which make it possible to detect the reversal of the electronic spins, which position is dependent on the state of the pair of nuclear spins: it is how the reading of the states of qudits couple is performed.A study of the dynamics of the system is then carried out by correlation measurements among the position of the reversals of the electronic spins between two consecutive scans. This gives a better visualization of the states of the system, but also its relaxation.Finally, I was able to extract its effective temperature, using a Maxwell-Boltzmann distribution. Of the order of 300 mT, it is consistent with the literature, as well as with those extracted on two other molecular transistors obtained at other times of my thesis.In summary, this thesis shows for the first time the use of a single-molecule transistor to access reading of a qudits couple. The large number of existing molecules, and the large number of qubits or qudits that could be coupled inside one of them, makes molecular spintronics a very promising way for possible future molecular quantum computers.The next step will be to operate the coherent manipulation of such a system, in particular via the use of the Stark effect, as it has already been done using a molecule having only a magnetic center.

Dans cette thèse, nous étudions le comportement de circuits Josephson sous l'action de champs microondes forts. Les circuits Josephson dans le régime quantique sont une brique pour émuler une variété d'hamiltoniens, utiles pour traiter l'information quantique. Nous étudions ici le transmon, constitué d'une jonction Josephson et d'un condensateur en parallèle. À travers des simulations numériques et en comparant aux résultats expérimentaux, nous montrons que ces champs conduisent à une instabilité qui envoie le circuit sur des états qui ne sont plus confinés par le potentiel Josephson en cosinus. Quand le transmon occupe de tels états, le circuit se comporte comme si la jonction avait été remplacée par un interrupteur ouvert et toute non-linéarité est perdue, ce qui se traduit par des limitations sur les amplitudes maximales des hamiltoniens émulés. Dans une deuxième partie, nous proposons et étudions un circuit alternatif basé sur un transmon avec une inductance en parallèle, qui fournit un confinement harmonique. La dynamique de ce circuit est stable et bien capturée par un modèle moyennisé qui fournit alors un outil pratique pour l'analyse analytique ou les simulations rapides. Nous avons développé un nouvel outil de simulations modulaire et basé sur la théorie de FloquetMarkov pour permettre de simuler facilement d'autres circuits Josephson en évitant les limitations des analyses perturbatives. Enfin, nous étudions les propriétés d'une version asymétrique du Josephson Ring Modulator, un circuit actuellement utilisé pour l'amplification et la conversion, comme source de non-linéarité pour émuler les hamiltoniens d'interaction à deux et quatre photons requis pour l'encodage de l'information quantique sur des états de chats de Schrödinger. / In this thesis, we investigate the behavior of Josephson circuits under the action of strong microwave drives. Josephson circuits in the quantum regime are a building block to emulate a variety of Hamiltonians, useful to process quantum information. We are here considering a transmon device, made of a Josephson junction and a capacitor in parallel. Through numerical simulations and comparison with experimental results, we show that these drives lead to an instability which results in the escape of the circuit state into states which are no longer confined by the Josephson cosine potential. When the transmon occupies such states, the circuit behaves as if the junction had been removed and all non-linearities are lost, which translates into limitations on the emulated Hamiltonian strengths. In a second part, we propose and study an alternative circuit consisting of a transmon device with an extra inductive shunt, providing a harmonic confinement. This circuit is found to be stable for all pump powers. The dynamics of this circuit is also well captured by a time-averaged model, providing a useful tool for analytical investigation and fast numerical simulations. We developed a novel numerical approach that avoids the built-in limitations of perturbative analysis to investigate the dynamical behavior of both of these circuits. This approach, based on the Floquet-Markov theory, resulted in a modular simulation framework which can be used to study other Josephson-based circuits. Last, we study the properties of an asymmetric version of the Josephson Ring Modulator, a circuit currently used for amplification and conversion, as a more robust source of non-linearity to engineer two-photon and four-photon interaction Hamiltonians required for the catstate encoding of quantum information.

Grâce aux avancées techniques récentes, les physiciens jouent pleinement avec la beauté de la mécanique quantique. Dans ce travail de théorie sur l'effet Josephson mésoscopique, nous exploitons les collaborations avec les expérimentateurs ainsi que les échanges entre les communautés des atomes froids et de la matière condensée. Nous considérons différents systèmes basés sur la jonction Josephson, en commençant par sa description quantique dans le régime sous-amorti. En utilisant le formalisme de Keldysh, nous obtenons les caractéristiques courant-tension du régime classique à la limite de température nulle et l'équation de Smoluchowski quantique dans la limite semi-classique. Nous étudions ensuite la dynamique quantique d'un qubit de phase réalisé avec un SQUID dans une configuration inédite où l'échappement se produit à travers deux barrières quartiques. Le taux d'échappement tunnel dans ce nouveau potentiel, calculé avec la technique des instantons, nous permet de décrire les expériences. L'électrodynamique quantique des circuits prévoit qu'un effet laser apparaît lorsqu'un qubit est couplé à une cavité résonnante. Nous considérons le cas d'un qubit de charge et celui d'un transmon qui exploite l'effet Purcell. Avec le Lindbladien nous obtenons la matrice densité dont nous dérivons le spectre du champ créé. Enfin, nous étudions un gaz d'atomes froids dans un piège circulaire comportant une barrière, créant une jonction de Bose Josephson. La physique à basse énergie est décrite à travers les fonctions de corrélation avec la théorie du liquide de Luttinger. Nous montrons que les fluctuations quantiques dans l'anneau induisent une renormalisation de l'énergie Josephson.

Cette thèse est consacrée à la réalisation expérimentale d'une mémoire quantique par transparence induite électromagnétiquement (EIT) dans une vapeur de césium ainsi que d'une source de vide comprimé à 852 nm.<br />Une interface lumière-matière reposant sur le phénomène d'EIT a été démontrée et ses performances ont été étudiées par stockage et restitution d'états cohérents. La cohérence du processus de mémoire et l'absence de bruit ajouté ont été mises en évidence, ainsi que les performances en termes de fidélité et à l'aide du diagramme T-V.<br />Une étude à la fois expérimentale et théorique du phénomène d'EIT sur la raie D2 d'une vapeur de césium a permis de préciser l'effet conjugué de la structure hyperfine et de l'élargissement Doppler sur les transparences obtenues.<br />Afin d'étudier la mémoire avec un état non classique du champ, une source de vide comprimé à 852 nm a été développée et les caractéristiques de l'état de sortie ont été analysées par tomographie quantique. La source utilisée est un oscillateur paramétrique optique fonctionnant sous le seuil.

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.<br /> Puis nous étudions de façon systématique la possibilité de construire de telles bases au moyen des opérateurs de Pauli. 1) L'étude de la droite projective sur (Z_d)^m 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 (Z_d)^2n, 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, Z_d)^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.<br /> 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.

Nous étudions en détail les effets de polarisation dans les mélanges paramétriques à trois ondes en cavité. Nous nous intéressons tout d'abord à l'étude théorique de l'Oscillateur Paramétrique Optique (OPO) de type II dans lequel nous insérons une lame biréfringente. En type II signal et complémentaire sont polarisés orthogonalement et nous montrons que le couplage induit par la lame créée une zone d'accrochage où l'OPO fonctionne à dégénérescence de fréquence. Après avoir caractérisé de manière approfondie les propriétés classiques de ce système, nous étudions l'intrication quantique des faisceaux jumeaux et relions les résultats obtenus à différents critères d'information quantique. Nous faisons également l'étude expérimentale et théorique d'un système de régénération tout-optique basé sur la génération vectorielle de seconde harmonique à reconversion paramétrique de type II avec une double cavité et étudions la faisabilité d'un tel système dans des conditions télécom.

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.