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. / This thesis aims at handling the electromagnetic field at a quantum scale in the area of quantum information processing. For this purpose we mixed tools of discrete variable quantum optics, where light is described in terms of photons, with the continuous approach, which uses the quadratures of the field. This technique enables the production of non-classical states which should be described by Wigner functions that takes negative values. We have generated entangled states from ultra-short light pulses initially independent and which can be separated by a long distance: the entanglement is indeed performed through a low-transmission channel. Then we have experimentally demonstrated and characterized a protocol that non-deterministically amplifies low signals without amplifying the quantum noise, increasing the signal to noise ratio. Furthermore we experimentally implement and compared several measures of the non-gaussianity of a quantum state: this characteristic, which belongs to continuous description of light, is of essential interest for quantum information processing. Finally we develop and test two improvements for our setup. The first one is a femtosecond amplifier for our pulsed laser. It will enable us to obtain better primitive states for our experiments. The second one is an apparatus that can discriminate the number of photon in a pulse, giving more accurate results than the detectors we used up to now that are only able to detect the presence of photons.

Cette thèse explore les caractéristiques uniques offertes par le mélangeur Josephson dans le domaine émergeant de l’optique quantique micro-onde. Nous avons démontré que le mixeur Josephson pouvait jouer trois rôles majeurs pour le traitement de l’information quantique. Nous avons conçu et fabriqué un amplificateur à la limite quantique avec la meilleure efficacité quantique démontrée à cette date. Cet outil crucial peut être utilisé pour la mesure microonde de systèmes mésoscopiques dont les circuits supraconducteurs. En particulier, cela nous a permis de réaliser avec succès la stabilisation de trajectoires d’un bit quantique supraconducteur par rétroaction basée sur la mesure. Ensuite, nous avons montré comment ce circuit peut générer et distribuer des radiations micro-ondes intriquées par conversion paramétrique spontanée sur des lignes de transmissions séparées dans l’espace et à des fréquences différentes. En utilisant deux mixeurs Josephson, nous avons fourni la première démonstration d’intrication non- locale entre deux champs propageants dans le domaine micro-onde, les états dits EPR. Finalement, nous avons utilisé le mixeur Josephson dans le mode de conversion de fréquence. Il se comporte alors comme un interrupteur, permettant d’ouvrir ou fermer dynamiquement l’accès à une cavité de haut facteur de qualité. L’ensemble constitue une mémoire quantique. En combinant cela avec la génération d’intrication, nous avons mesuré la distribution, le stockage et la libération sur demande d’un état intriqué. Ceci est un pré-requis pour jouer le rôle de nœud au sein d’un réseau quantique. / This thesis work explores unique features offered by the Josephson mixer in the upcoming field of microwave quantum optics. We have demonstrated three major roles the Josephson mixer could play in emerging quantum information architectures. First, we have designed and fabricated a state-of-the-art practical quantum limited amplifier with the best quantum efficiency achieved to date. This tool is crucial for probing mesoscopic systems with microwaves, and in particular superconducting circuits. Hence, it has enabled us to realize successfully the stabilization of quantum trajectories of a superconducting qubit by measurement-based feedback. Second, we have shown how this circuit can generate and distribute entangled microwave radiations on separated transmission lines at different frequencies. Using two Josephson mixers, we have provided the first demonstration of entanglement between spatially separated propagating fields in the microwave domain, the so-called Einstein-Podolsky-Rosen states. Finally, we have used the Josephson mixer as a frequency converter. Acting as a switch, it is able to dynamically turn on and off the coupling to a low loss cavity. This feature allowed us to realize a quantum memory for microwaves. In combination with the ability to generate entanglement, we have measured the time-controlled generation, storage and on-demand release of an entangled state, which is a prerequisite for nodes of a quantum network.

L'objectif central de cette thèse est d'exploiter les propriétés quantiques du champ électromagnétique pour développer de nouveaux dispositifs de communication. L'étude porte sur les composantes de quadrature (variables quantiques continues) d'un mode impulsionnel du champ lumineux. Une démonstration expérimentale de cryptographie quantique avec des états cohérents a été réalisée. Le dispositif se base sur des impulsions modulées en amplitude et en phase et comportant en moyenne une centaine de photons. Pour chaque impulsion lumineuse, une détection homodyne résolue en temps permet de mesurer une composante de quadrature particulière avec une forte efficacité. Une clé secrète a ainsi été transmise à un débit de 1.7 Mbits/s en l'absence de pertes et 75 kbits/s pour une transmission présentant des pertes de 3.1 dB, ce qui ouvre la voie pour des applications de cryptographie quantique à hauts débits. Afin d'étudier l'utilisation de spécificités quantiques, nous avons développé une source impulsionnelle d'états comprimés et d'états intriqués. Cette source utilise des conversions non-linéaires d'impulsions ultrabrèves intervenant dans un cristal mince de niobate de potassium. Suivant la configuration, la réduction du bruit en quadrature est de 2.7 dB sous le niveau de bruit quantique standard, ou les corrélations entre les quadratures des faisceaux intriqués sont de 2.5 dB. Grâce à ce dispositif, nous avons mis en oeuvre la première expérience de "dégaussification", pour transformer des impulsions de vide comprimé en des états non-gaussiens. Ce protocole est directement lié à la distillation de l'intrication de variables continues, qui permet d'améliorer la portée des dispositifs de cryptographie. Enfin, des schémas sont étudiés pour réaliser des tests complets des inégalités de Bell avec des variables continues mesurées par des détections homodynes.

Cette thèse porte sur la manipulation d'états non-classiques de la lumière, et leurs applications à l'information quantique. Nous montrons que les outils propres à une description discrète, où la lumière est considérée comme un ensemble de photons, peuvent être efficacement combinés avec une approche continue, où l'on s'intéresse aux quadratures de l'onde électromagnétique, pour créer, transformer et analyser des états quantiques complexes. Nous avons ainsi préparé des impulsions lumineuses ultrabrèves dans des états "chat de Schrödinger" (superpositions quantiques d'états cohérents). Le champ électromagnétique de l'onde lumineuse n'est alors plus décrit par une distribution statistique classique, mais par une fonction de Wigner prenant des valeurs négatives. Grâce à une reconstruction par tomographie homodyne, nous avons réalisé la première observation expérimentale de cette négativité pour de petits " chatons de Schrödinger " en propagation libre. Nous avons ensuite développé et démontré expérimentalement un protocole permettant de préparer des " chats de Schrödinger " optiques de taille arbitraire et d'ouvrir la voie vers de multiples applications en information quantique. Nous avons également montré que la soustraction conditionnelle de photons permettait d'augmenter l'intrication d'états gaussiens. Avec cette approche, nous avons intriqué deux impulsions séparées et indépendantes, en utilisant un canal quantique de fortes pertes. On peut ainsi préparer, entre deux sites éloignés, des états fortement intriqués à fonction de Wigner négative, élément essentiel pour la distillation d'intrication et les communications quantiques à grande distance.

Les atomes froids dans les réseaux optiques permettent d'avoir un contrôle sans précédent des états a N-corps fortement corrélés. Pour cette raison, ils représentent un excellent outil pour l'implémentation d'un « simulateur quantique », utile pour réaliser de manière expérimentale de nombreux hamiltoniens de systèmes d'intérêt physique. En particulier, ils rendent possible la création de champs de jauge artificiels; ces derniers permettant d'accéder à la physique du magnétisme frustré. Dans ce travail, il s'agit de s'intéresser à la thermodynamique des atomes froids, en abordant ce sujet de manière théorique et numérique. A ce jour, le Monte Carlo quantique est la méthode la plus efficace dans ce domaine. Néanmoins, en raison de ce qu'on appelle le « problème du signe », elle ne peut s'appliquer qu'à une classe restreinte de systèmes, et dont par exemple les systèmes frustrés ne font pas partie. L'intérêt de cette thèse est de développer une nouvelle méthode approximée fondée sur une approche Monte Carlo. La première partie de cette thèse est consacrée à des considérations de nature théorique sur la structure spatiale des corrélations classiques et quantiques. Ces résultats nous permettent de développer, dans une deuxième partie, une approximation nommée « champ moyen quantique ». Celle-ci permet de proposer, dans une troisième partie, une méthode numérique qu'on appelle « Monte Carlo du champ auxiliaire » et qu'on applique à des cas d'intérêt physique, notamment au réseau triangulaire frustré. / Cold atoms in optical lattices offer unprecedented control over strongly correlatedmany-body states. For this reason they represent an excellent tool for the implementation ofa “quantum simulator”, which can be used to realize experimentally several Hamiltonians ofsystems of physical interest. In particular, they enable the engineering of artificial gaugefields, which gives access to the physics of frustrated magnetism. In this work, we study thethermodynamics of cold atoms both from a theoretical and a numerical point of view. Atpresent days, the most effective method used in this field is the quantum Monte Carlo. Butbecause of the so-called “sign problem” it can only be applied to a limited class of systems,which for example do not include frustrated systems. The interest of this thesis is to developof a new approximated method based on a Monte Carlo approach. The first part of this workis dedicated to theoretical considerations concerning the spatial structure of quantum andclassical correlations. These results permit to develop, in the second part, an approximationcalled quantum mean-field. This latter allows to propose, in the third part, a numericalmethod that we call “auxiliary-field Monte Carlo” and that we apply to some systems ofphysical interest, among which the frustrated triangular lattice.

La notion de cohérence, intimement liée à celle de dualité onde-corpuscule, joue un rôle central en mécanique quantique. Lorsque la cohérence quantique s'étend sur plusieurs particules au sein d'un système, la description en termes d'objets individuels devient impossible en raison des corrélations quantiques (ou intrication) qui se développent. Dans ce manuscrit, nous étudions les systèmes à l'équilibre, pour lesquels nous montrons que les fluctuations cohérentes viennent s'ajouter aux fluctuations prédites par des identités thermodynamiques valides pour les systèmes classiques. Au zéro absolu, les fluctuations cohérentes sont les seules à subsister, et nous étudions dans ce cas leur lien avec l'entropie d'intrication. Nous montrons en particulier qu'une hypothèse de température effective modulée spatialement rend compte de la structure de l'intrication au sein d'un système à N corps, et montrons comment cette température peut être extraite des corrélations usuelles. Nos résultats permettent par ailleurs une compréhension affinée des transitions de phase quantiques. Nous montrons par exemple que la transition entre un isolant de Mott bosonique et un superfluide donne lieu à une singularité de l'entropie d'intrication induite par les fluctuations d'amplitude de la phase du condensat. Nous identifions enfin une longueur de corrélation pilotant les lois d'échelles des fluctuations cohérentes au sein de l'éventail critique avoisinant une transition de phase quantique du second ordre, et proposons une ouverture vers les potentielles applications métrologiques de ces fluctuations cohérentes exceptionnellement fortes en nous appuyant sur l'exemple du modèle d'Ising. / The notion of coherence, intimately related to the notion of wave-particle duality, plays a central role in quantum mechanics. When quantum coherence extends over several particles inside a system, the description in terms of individual objects becomes impossible, due to the development of quantum correlations (or entanglement). In this manuscript, we focus on equilibrium systems, for which we show that coherent fluctuations add up to the fluctuations predicted by thermodynamic identities, valid for classical systems only. In the ground state, coherent fluctuations are the only ones to subsist, an in this case we study their relationship with entanglement entropy. We show in particular that an hypothesis of effective temperature, spatially modulated, captures the structure of entanglement in a many-body system, and we show how this temperature can be reconstructed from usual correlation functions. Our results also enable for a refined understanding of quantum phase transitions. We show in particular that the phase transition between a bosonic Mott insulator and a superfluid gives rise to a singularity of entanglement entropy induced by amplitude fluctuations of the phase of the condensate. We finally identify a coherence length governing the scaling behaviour of coherent fluctuations inside the quantum critical region in the finite-temperature vicinity of a quantum critical point, and open novel perspectives for the metrological advantage offered by the exceptional coherence which develops close to quantum critical points, based on the example of the quantum Ising model.

Nous analysons les caractéristiques d'intrication de quelques matériaux à l'état solide ainsi que des systèmes particuliers d'atomes et de champs en interaction. Une étude détaillée de la riche structure de phase des modèles de spins de basse dimension, décrivant le minéral naturel d'azurite et les composés de coordination à base de cuivre, a révélé des régimes à comportement d'intrication des plus robustes. En utilisant l'approche des systèmes dynamiques, la structure de phase de certains modèles classiques en réseaux hiérarchiques (récursifs) a aussi été étudiée et, pour la première fois, la transition entre régime chaotique et régime périodique au moyen de la bifurcation tangente a été détectée.Nous présentons une description détaillée des propriétés d'intrication de trois atomes piégés dans la limite dispersive. Une relativement simple accordabilité de la force atomique d'interaction de ce système et son étroite relation aux problèmes de frustration magnétique est démontrée. Les effets de propagation de pulses laser intenses dans un système atomique de type [lambda] avec des forces d'oscillateurs différentes sont analysés. Les résultats obtenus sont d'extrême importance dans des problèmes d'information quantique, comme par exemple, dans l'analyse du mécanisme de transfert de population dans des milieux ayant les propriétés définies ci-avant. Enfin, nous avons analysé les effets dissipatifs dans un protocole de distillation de l'intrication à variable continue récemment proposé. Malgré des contraintes additionnelles sur les paramètres du protocole, il est encore possible d'implémenter ce schéma de distillation évoqué ci-avant dans les technologies émergentes. / The entanglement features of some solid state materials, as well as of particular systems of interacting atoms and fields are analyzed. A detailed investigation of the rich phase structure of low dimensional spin models, describing the natural mineral azurite and copper based coordination compounds, has revealed regimes with the most robust entanglement behavior. Using the dynamical system approach, the phase structure of some classical models on hierarchical (recursive) lattices has been also studied and, for the first time, the transition between chaotic and periodic regimes by means of tangent bifurcation has been detected.A detailed description of entanglement properties of three atoms trapped in a cavity within the dispersive limit is presented. A relatively simple tunability of the atomic interaction strength of the above system and its close relation to the problems of frustrated magnetism is shown. Furthermore, the propagation effects of two intense laser pulses in a medium of [lambda] atoms with unequal oscillator strengths are investigated. Obtained results are crucial in some problems of quantum information theory, as, e.g., in the analysis of population transfer mechanism in media possessing the above properties. Finally, the dissipation effects in a recently proposed compact continuous-variable entanglement distillation protocol have been analyzed. Despite additional constraints on the parameters of the protocol, the discussed entanglement distillation scheme in quantum memories is still possible to implement within emerging technologies.

Ce manuscrit de thèse s’intéresse à l’étude théorique et à l’observation d’effets quantiques résultantde la manipulation de photons en fréquence. Ainsi nous rapportons une expérience d’interférenceà deux photons, pour laquelle l’intrication et la manipulation des photons survient dans le domainedes fréquences. Nous montrons que cette figure d’interférence est sensible à la dispersion des deuxphotons jumeaux et que ce phénomène peut être compensé de manière non-locale. D’un autre coté,nous étudions la réalisation d’une marche aléatoire quantique établie par la modulation de phase.Nous mettons en évidence un comportement intéressant de ces marches et suggérons un schémaexpérimental. / This manuscript deals with a theoretical and experimental study of quantum effects taking place inthe frequency domain. On one side, we report a two photons interference experiment, where both theentanglement of the photons and their manipulation take place in the frequency domain. We showthat this interference pattern is sensitive to the dispersion of both photons and allows us to perform anonlocal dispersion cancellation. On the other side we study the implementation of a quantum walkbased on the phase modulation. We predict an interesting behavior of these quantum walks andsuggest a physical implementation.

L'étude menée dans cette thèse concerne la dynamique de systèmes quantiques hors de l'équilibre, et plus particulièrement leurs propriétés d'intrication. En effet, l'intrication est devenue un concept fondamental dans la physique moderne, grâce notamment au développement de l'information quantique. Nous avons dans un premier temps étudié la dynamique d'un modèle de bosons sur réseau après la trempe de leur potentiel de confinement. Dans la limite de coeur dur, nous avons développé une théorie hydrodynamique qui reproduit parfaitement les différents comportements observés. Nous nous sommes ensuite intéressés à la dynamique de deux spins défauts couplés à une chaîne d'Ising. Dans un premier temps, ces défauts ont été préparés dans un état séparable. Nous avons dans ce cas établi une formule donnant l'évolution temporelle de la matrice de densité réduite, qui nous a permis d'avoir accès à l'intrication créée par l'intermédiaire du couplage à la chaîne. Puis, nous avons considéré le cas de deux spins défauts initialement intriqués, et nous avons étudié l'influence d'un environnement hors de l'équilibre sur leurs propriétés de désintrication. Finalement, la dernière partie de cette thèse est consacrée à l'étude d'un système couplé à un environnement décrit par le processus d'interactions répétées. Nous avons étudié la relaxation du système dans deux régimes temporels différents. Pour des temps courts, l'état est bien décrit par un état stationnaire hors équilibre, dans lequel nous avons mis en évidence les propriétés d’échelle de certaines observables. Enfin, pour des temps longs, le système atteint un état stationnaire d'équilibre composé d'un produit d'états de Bell / The study carried in this thesis concerns the dynamics of out-Of-Equilibrium quantum systems, and more particularly their entanglement properties. Indeed, entanglement became a fundamental concept in modern physics, especially with the development of quantum information. We have in a first part studied the dynamics of a model of bosons on a lattice after the quench of their trapping potential. In the hard-Core limit, we developed an hydrodynamical theory which perfectly reproduced the observed behavior. Then, we have looked at the dynamics of two defect spins coupled to an Ising chain. When these defects have been prepared into a separable state, we have established a formula giving the evolution of the reduced density matrix, allowing us to have access to the entanglement create through the coupling to the chain. We considered then the case of two initially entangled defect spins, and we studied the influence of a non-Equilibrium environment on the disentanglement properties. Finally, the last part of this thesis is devoted to the study of a system coupled to an environment by means of the repeated interactions process. We studied the relaxation of the system in two different time regimes. For short times, the state is well described by a non-Equilibrium-Steady-State, in which we highlighted the scaling properties of some observables. For long times, the system reaches an equilibrium steady state made of a product of Bell states

Quelques particularités des polaritons, (quasi) particules-modes normaux du système d'excitons en interaction avec des photons en régime de couplage dit fort, sont théoriquement et numériquement analysés dans les systèmes de dimensionnalité basse. Dans le chapitre 1 est donné un bref aperçu en structure 0D, 1D et 2D semi-conductrices avec une introduction générale au domaine des polaritons. Le chapitre 2 est consacré aux micro / nano fils. Les modes de galerie sifflants sont étudiés dans le cas général d'un système anisotrope ainsi que la formation des polaritons dans les fils de ZnO. Le modèle théorique est comparé à l’expérience. Dans le chapitre 3 la dynamique de type Josephson pour les condensats de Bose-Einstein des polaritons est analysé en prenant en compte le pseudospin. Le chapitre 4 commence par une introduction à l'effet Aharonov-Bohm, qui est la phase géométrique la plus connue. Une autre phase géométrique - phase de Berry, qui existe pour une large classe de systèmes en évolution adiabatique sur un contour fermé, est l'objet principal de cette section. Nous avons examiné une proposition d'un interféromètre en anneau avec exciton-polaritons basé sur l'effet phase de Berry. Le chapitre 5 concerne un système 0D: un exciton d’une boîte quantique fortement couplé avec des photons dans une cavité optique. Nous avons discuté de la possibilité d'obtenir des états intriqués à partir d'une boîte quantique embarquée dans un cristal photonique en régime polaritonique. / Some special features of polaritons, quasi-particles being normal modes of system of excitons interacting with photons in so called strong coupling regime, are theoretically and numerically analyze in low dimensional systems. In Chapter 1 is given a brief overview of 0D, 1D and 2D semiconductor structures with a general introduction to the polariton field. Chapter 2 is devoted to micro / nano wires. The so called whispering gallery modes are studied in the general case of an anisotropic systems as well as polariton formation in ZnO wires. Theoretical model is compared with an experiment. In the Chapter 3 Josephson type dynamics with Bose-Einstein condensates of polaritons is analyzed taking into account pseudospin degree of freedom. Chapter 4 start with an introduction to Aharonov-Bohm effect, as the best known represent of geometrical phases. An another geometrical phase – Berry phase, occurring for a wide class of systems performing adiabatic motion on a closed ring, is main subject of this section. We considered one proposition for an exciton polariton ring interferometer based on Berry phase effect. Chapter 5 concerns one 0D system : strongly coupled quantum dot exciton to cavity photon. We have discussed possibility of obtaining entangled states from a quantum dot embedded in a photonic crystal in polariton regime.