Le traitement quantique de l'information est un domaine très actif dont les enjeux sont importants tant d'un point de vue du savoir scientifique fondamental que des applications technologiques. Dans ce contexte le concept de bus de spin consiste à employer en tandem des spins électroniques et nucléaires. Les électrons célibataires servent de tête de lecture et d'écriture sur le registre de bits quantiques constitué par les spins nucléaires. Les électrons sont délocalisés sur un ensemble de spins nucléaires dont les temps de décohérences doivent être longs. Dans ce travail nous avons étudié un ion titane (III) dans l'oxyde de gallium dont nous avons synthétisé et étudié des monocristaux. Une étude approfondie par RPE et ENDOR en onde continue a montré que l'électron porté par le titane était en interaction avec huit noyaux de gallium qui constituent le registre de qubits potentiel. L'étude a également révélé un effet isotopique sur les interactions noyau-noyau véhiculées par l'électron. Lorsque les deux noyaux de gallium entourant le titane sont identiques (mêmes isotopes), cette interaction est d'un ordre de grandeur plus grande que dans le cas d'isotopes différents, un effet qui peut être employé afin de réduire la durée des opérations logiques. Enfin, la dynamique de cet ensemble de spin a été caractérisée par RPE et ENDOR en impulsions. Il s'avère que la décohérence électronique est dominée par des phénomènes de diffusion instantanée et de diffusion spectrale. La dynamique des spins nucléaires les expériences menées permettent de déterminer l'ordre de grandeur des temps de relaxation longitudinaux et de décohérence des spins nucléaires.

Le traitement de l'information quantique, en particulier celui utilisant les centres colorés du diamant et la manipulation cohérente des ions de terre rare incorporés dans des matrices solides (Pr3+, Eu3+) et la spectroscopie à ultra-haute résolution, nécessitent des sources accordables ayant une faible largeur de raie. Or, dans la gamme rouge-orange (570-635 nm) où les diodes lasers font défaut et les lasers solides restent très peu développés, les lasers à colorants sont actuellement les seules sources de rayonnement cohérent disponibles. En revanche, ce type de laser est assez complexe et difficile à stabiliser au niveau du kHz à cause des bruits à haute fréquence générés par le jet de colorant.Pour répondre aux besoins des expériences citées ci-dessus, cette thèse vise à proposer une alternative "tout solide" aux lasers à colorants en explorant différentes possibilités pour la construction d'une source stable émettant dans l'orange-rouge. Dans ce but, nous avons proposé deux solutions:1. La première consiste à développer des oscillateurs paramétriques optiques. Dans cette voie, nous avons développé un OPO simplement résonant à doublage de fréquence intra-cavité et stabilisé en frequence au niveau du kHz.2. La deuxième consiste en un laser à base de fluorures dopés au Pr3+pompé par diode.

Cette thèse présente un ensemble d'expériences de QED en circuit (cQED), dans lesquelles des atomes artificiels basés sur des circuits supraconducteurs sont couplés au champ électromagnétique d'un résonateur micro-ondes. Ce résonateur agit comme appareil de mesure pour l'atome, permettant d'illustrer des aspects fondamentaux de la physique quantique et de développer des briques de base pour un processeur quantique. Dans une première expérience nous suivons continuement l'évolution de l'atome tout en variant l'intensité de la mesure. Nous observons la transition du régime de mesure faible à celui de mesure forte, puis le gel de la dynamique du a l'effet Zénon quantique. Dans le régime de mesure faible nous testons si l'atome artificiel est en accord avec les hypothèses du réalisme macroscopique, à partir desquelles Leggett et Garg ont déduit une inégalité de Bell en temps. La violation de cette inégalité confirme que l'atome artificiel, bien que macroscopique, est un objet quantique. En ce qui concerne l'information quantique, nous avons enrichi l'architecture cQED en démontrant un système de lecture haute fidélité en un coup pour le qubit, un élément crucial pour un processeur quantique. Notre circuit utilise la transition dynamique d'un résonateur non-linéaire. Le système couplé formé par le qubit et le résonateur non linéaire permet en plus d'étudier l'interaction entre couplage fort et effets non linéaires -amplification paramétrique, sqeezing- ouvrant un nouveau sujet : le cQED non linéaire. Finalement, nous avons mis au point un circuit qui servirait d'intermédiaire pour que deux qubits arbitraires interagissent : un résonateur micro-ondes a fréquence accordable.

La détection des états d'un qubit est un élément essentiel dans la réalisation d'expériences d'information quantique. Dans le système étudié, le bit quantique est codé dans les états d'énergie interne d'un atome de Rydberg circulaire à deux niveaux. Dans ce mémoire nous présentons une nouvelle technique de détection des atomes de Rydberg circulaires basée sur l'interaction dispersive d'un atome avec un champ micro-onde mésoscopique à l'intérieur d'une cavité supraconductrice de très grand facteur de qualité. L'indice de réfraction de l'atome, dépendant de son niveau d'énergie interne, déphase le champ micro-onde, et une procédure de détection homodyne transforme l'information codée dans la phase du champ en une information d'intensité. L'intensité finale du champ est lue par un échantillon mésoscopique d'atomes. Il s'agit d'une technique de détection non destructive, puisque le processus de détection n'ionise pas l'atome, mais le projette simplement dans l'état mesuré. De plus, le processus de détection intrique l'état interne d'un atome au niveau d'excitation d'un ensemble de plusieurs atomes, permettant de créer des superpositions cohérentes d'états atomiques mésoscopiques et ouvrant de nouvelles perspectives pour des tests de décohérence Nous présentons le principe de la technique et de nombreux résultats expérimentaux, ainsi que de possibles schémas d'application.

Aujourd'hui, une large communauté de scientifiques travaille en vue de la réalisation d'un ordinateur quantique, une machine dont il est montré qu'elle peut offrir, au moins en théorie, et en particulier pour les problèmes dont la complexité croît exponentiellement avec la taille du système, des performances inaccessibles à ses homologues classiques. Cette thèse s'intéresse à la possibilité de réaliser une approche semi-classique de l'information quantique dans deux domaines d'intérêt : celui du clonage approché d'un qubit, et celui de l'amplification de spins dans des chaînes de spins. Dans la première partie de cette thèse est étudié le rôle de l'interférence dans les cloneurs quantiques. Nous étudions en particulier le cas de cloneurs sans interférence (au sens définit dans la thèse) qui se révèle être un cas intermédiaire (que l'on peut qualifier de semi-classique) entre les cloneurs purement quantiques (qui propagent cohérences et probabilités des matrices densités) et les cloneurs classiques (qui ne propagent que les probabilités). Dans la seconde partie, on s'intéresse au phénomène d'amplification de spin qui permet d'amplifier l'état d'un spin unique comme état de polarisation de la chaîne toute entière, problème pour lequel l'approche semi-classique (valable en raison du grand nombre de spins) est utilisée pour montrer l'importance inattendue jouée par les effets de bords dans de tels systèmes.

Ces dernières années, les variables continues ont émergées en tant qu alternative aux variables discrètes dans les communications quantiques. Cette thèse s'inscrit dans ce cadre des communications quantiques avec des variables continues. Les variables continues utilisées ici sont les quadratures d'un mode du champ électromagnétique. Pour les mesurer, nous avons construit une détection homodyne équilibrée, limitée au bruit de photons, impulsionnelle et résolue en temps. Celle-ci peut effectuer 800 000 mesures par seconde. En se fondant sur la limite de la duplication quantique, nous montrons qu'une valeur de la fidélité supérieure à 2/3 dans un protocole de téléportation quantique garantit que l'état téléporté est la meilleure copie qui reste de l'état d'entrée. Nous introduisons de nouveaux protocoles de distribution quantique de clef utilisant des variables quantiques continues, sûrs face à des attaques individuelles pour toute valeur de la transmission de la ligne optique entre Alice et Bob. En particulier, il n'est pas nécessaire que cette transmission soit plus grande que 50 % (moins de 3 dB de pertes). Ni compression des fluctuations quantiques, ni intrication ne sont nécessaires. Nous avons implémenté expérimentalement ces protocoles, en utilisant la détection homodyne limitée au bruit de photon mentionnée plus haut et des états cohérents. L'extraction complète de la clef secrète est réalisée en utilisant une technique de réconciliation par tranches inversée suivie d amplification de confidentialité. Notre dispositif expérimental produit un taux net de transmission de clef de 1,7 megabits par seconde pour une ligne sans pertes, et 75 kilobits par seconde pour une ligne avec 3,1 dB de pertes. Les limitations actuelles sont essentiellement techniques et proviennent surtout de l'efficacité limitée du logiciel de réconciliation.

Ce mémoire couvre l'ensemble de mes activités de recherche au laboratoire Charles Fabry, dans le groupe d'optique quantique dirigé par Philippe Grangier. Ces activités entrent dans le cadre de l'information quantique, discipline au carrefour de la théorie de l'information et de la mécanique quantique. Nous nous sommes ainsi attachés à synthétiser et à étudier différents états quantiques de la lumière, avec pour objectif la mise au point de protocoles de cryptographie quantique.

This thesis focuses on two problems in circuit quantum electrodynamics. We first investigate theoretically the coupling of a resonator to a continuous distribution of inhomogeneously broadened emitters. Studying this formalism is strongly motivated by recent proposals to use collections of emitters as quantum memories for individual excitations. Such systems benefit from the collective enhancement of the interaction strength, while keeping the relaxation properties of a single emitter. We discuss the influence of the emitters inhomogeneous broadening on the existence and on the coherence properties of the polaritonic peaks. We find that their coherence depends crucially on the shape of the distribution and not only on its width. Taking into account the inhomogeneous broadening allows to simulate with a great accuracy a number of pioneer experimental results on a ensemble of NV centers. The modeling is shown to be a powerful tool to obtain the properties of the spin ensembles coupled to a resonator. We also suggest an original Josephson qubit readout method based on a dc-SQUID with high loop inductance. This system supports a diamond-shape artificial atom where we define logical and ancilla qubits coupled through a cross-Kerr like term. Depending on the logical qubit state, the ancilla is resonantly or dispersively coupled to the resonator, leading to a large contrast in the transmitted microwave signal amplitude. Simulations show that this original method can be faster and have higher fidelity than methods currently used in circuit QED.

L'objectif de cette thèse concerne la manipulation à l'échelle quantique du champ électromagnétique dans le cadre de l'information quantique à variables continues. Pour ce faire nous mélangeons les outils de l'optique quantique à variables discrètes, où la lumière est décrite en termes de photons, avec l'approche continue, traitant des quadratures du champ. Cette technique permet de produire des états non-classiques décrits par des fonctions de Wigner prenant des valeurs négatives. Nous avons pu générer des états intriqués à partir d'impulsions lumineuses initialement indépendantes et pouvant être séparées par une longue distance, l'intrication s'effectuant au travers d'un canal acceptant de fortes pertes. Nous avons ensuite démontré et caractérisé expérimentalement un protocole non-déterministe permettant d'amplifier de faibles signaux sans en amplifier le bruit quantique, augmentant ainsi le rapport signal sur bruit. Puis nous avons mis en œuvre et comparé expérimentalement différentes mesures de non-gaussianité d'un état quantique : ce caractère propre à une description continue de la lumière est d'un intérêt capital pour l'information quantique. Enfin nous avons développé et testé deux améliorations pour notre dispositif. La première est un amplificateur femtoseconde pour notre laser impulsionnel, qui permettra d'obtenir de meilleurs états de départ pour nos expériences. La deuxième est un appareil capable de discriminer le nombre de photon, donnant ainsi des résultats plus précis que ceux des détecteurs dont nous disposons actuellement qui sont uniquement capable de détecter la présence de photons.

Les mémoires quantiques sont un élément essentiel dans le domaine de l'information quantique, en particulier pour la mise en oeuvre de communications quantiques sur de longues distances. Une mémoire quantique a pour but de stocker un état quantique de la lumière, comme par exemple un bit quantique (qubit), et de le réémettre après un délai donné. Les ensembles atomiques sont de bons candidats pour construire de telles mémoires quantiques, car il est possible d'obtenir de fort couplage lumière-matière dans le cas d'un grand nombre d'atomes. De plus, la notion d'effet collectif, qui est renforcé pour de large profondeur optique, permet en principe une efficacité de stockage proche de l'unité. Ainsi, dans cette thèse, un piège magnéto-optique de césium à forte densité optique est utilisé pour l'implémentation d'un protocole de mémoire quantique basé sur la transparence induite électromagnétiquement (EIT). Tout d'abord, le phénomène EIT est étudié à travers un critère de discrimination entre les modèles d'EIT et de séparation Autler-Townes. Nous rapportons ensuite la mise en oeuvre d'une mémoire basée sur l'EIT pour des qubits photoniques encodés en moment angulaire orbital (OAM) de la lumière. Une mémoire réversible pour des modes de Laguerre-Gauss est réalisée, et nous démontrons que la mémoire optique préserve le sens de la structure hélicoïdale au niveau du photon unique. Ensuite, une tomographie quantique complète des états réémis est effectuée, donnant des fidélités au-dessus de la limite classique. Cela montre que notre mémoire optique fonctionne dans le régime quantique. Enfin, nous présentons la mise en oeuvre du protocole dit DLCZ dans notre ensemble d'atomes froids, permettant la génération de photons uniques annoncés. Une détection homodyne nous permet de réaliser la tomographie quantique de l'état photonique ainsi créé.