Les mesures habituelles en optique détruisent les photons<br />incidents pour convertir leur énergie en un signal détectable.<br />Cette destruction n'est cependant pas imposée par les lois<br />quantiques fondamentales et des stratégies de mesure quantique<br />non-destructive ont été proposées qui permettent la mesure répétée<br />de champs électromagnétiques. Nous présentons la détection sans<br />absorption d'un seul photon stocké dans une cavité micro-onde<br />supraconductrice. Nous utilisons à cette fin des atomes de Rydberg<br />circulaires, très fortement couplés au champ. Durant son<br />interaction avec le mode de la cavité, un atome est capable<br />d'absorber un photon puis de le réémettre. Il s'agit des<br />oscillations de Rabi quantiques. À la fin de ce cycle<br />absorption--émission, le photon est encore présent dans la cavité<br />mais le système atome--champ a gardé une trace de son évolution<br />dans la phase de sa fonction d'onde qui a tourné de 180°. Nous<br />détectons ce déphasage grâce à un dispositif d'interférométrie<br />atomique. Un ensemble d'expériences permet de prouver les<br />corrélations entre l'atome et l'état du champ et le caractère<br />non-destructif de la mesure. Une analyse précise des performances<br />du dispositif et de ses applications possibles pour l'optique<br />quantique est menée.

Le sujet de ce mémoire est l'étude de mesures Quantiques Non-Destructives (mesures QND) en Optique. Nous montrons, théoriquement et expérimentalement, qu'une telle mesure peut être réalisée en couplant deux faisceaux lumineux dans un milieu non-linéaire, ici une transition à deux photons dans un jet atomique de sodium. Le principe fondamental est d'utiliser une modulation de phase croisée (effet Kerr croisé) : les fluctuations quantiques d'intensité d'un faisceau laser, choisi comme "signal", peuvent alors être transférées nondestructivement sur les fluctuations de phase d'un autre faisceau, choisi comme "mesure". La perturbation due à la mesure apparaît sur le signal, sous la forme d'une augmentation de son bruit de phase. Afin d'augmenter le couplage entre les deux faisceaux, le milieu non-linéaire est placé dans une cavité optique. Cette configuration joue également le rôle de détection interféromètrique, permettant la mesure de l'information apparue sur les fluctuations de phase du faisceau de mesure. La mesure QND peut être caractérisée à l'aide de paramètres simples, directement mesurables. Les résultats obtenus expérimentalement montrent une amélioration fondamentale, par rapport aux performances de tout coupleur standard, tel qu'une simple lame semitransparente. Enfin, nous présentons une analyse d'un bistable à deux photons, couplant deux modes distincts du champ. Les résultats expérimentaux sont comparés avec le moàèle correspondant à la modulation de phase croisée, ainsi qu'A une solution numérique de l'interaction entre les champs intra-cavité et les atomes à trois niveaux, décntes par les Equations de Bloch Optiques. Nous montrons théoriquement qu'un tel système permet de prédire plusieurs effets de réduction des fluctuations quantiques.

La thermodynamique a été développée au XIXe siècle pour décrire la physique des moteurs et autres machines thermiques macroscopiques. Depuis lors, le progrès des nanotechnologies a rendu nécessaire d'étendre ces lois, initialement pensées pour des systèmes classiques, aux systèmes obéissant à la mécanique quantique. Durant cette thèse, j'ai mis en place un formalisme pour étudier la thermodynamique stochastique des systèmes quantiques, dans lequel la mesure quantique occupe une place centrale: à l'instar du bain thermique de la thermodynamique statistique classique, la mesure est ici la source première d'aléatoire dans la dynamique. Dans un premier temps, j'ai étudié la mesure projective comme une transformation thermodynamique à part entière. J'ai montré que la mesure cause un changement incontrôlé de l'énergie du système quantique étudié, que j'ai appelé chaleur quantique, ainsi qu'une production d'entropie. Comme application de ces concepts, j'ai proposé un moteur qui extrait du travail à partir des fluctuations quantiques induites par la mesure. Ensuite, j'ai étudié les mesures généralisées, ce qui a permis de décrire des systèmes quantiques ouverts. J'ai défini les notions de travail, de chaleur, et de production d'entropie pour une réalisation unique d'une transformation thermodynamique, et retrouvé que ces quantités obéissent à des théorèmes de fluctuation. Ce formalisme m'a permis d'analyser le comportement thermodynamique de la situation canonique de l'optique quantique : un atome à deux niveaux en couplé à un laser et au vide électromagnétique. Enfin, j'ai étudié une plate-forme prometteuse pour tester la thermodynamique d'un Qubit : un système hybride optomécanique.Le formalisme développé dans cette thèse peut être d'un grand intérêt pour la communauté de thermodynamique quantique car il permet de caractériser les performances des machines thermiques quantiques et de les comparer à leurs analogues classiques. En outre, en caractérisant la mesure quantique comme un processus thermodynamique, il ouvre la voie à de nouveaux types de machines thermiques, exploitant d'une manière inédite les spécificités du monde quantique. / Thermodynamics was developed in the XIXth century to provide a physical description to engines and other macroscopic thermal machines. Since then, progress in nanotechnologies urged to extend these formalism, initially designed for classical systems, to the quantum world. During this thesis, I have built a formalism to study the stochastic thermodynamics of quantum systems, in which quantum measurement plays a central role : like the thermal reservoir of standard stochastic thermodynamics, it is the primary source of randomness in the system's dynamics. I first studied projective measurement as a thermodynamic process. I evidenced that measurement is responsible for an uncontroled variation of the system's energy that I called quantum heat, and also a production of entropy. As a proof of concept, I proposed an engine extracting work from the measurement-induced quantum fluctuations. Then, I extended this formalism to generalized measurements, which allowed to describe open quantum systems (i.e. in contact with reservoirs). I defined work, heat and entropy production for single realizations of thermodynamic protocols, and retrieved that these quantities obey fluctuation theorems. I applied this formalism to the canonical situation of quantum optics, i.e. a Qubit coupled to a laser and a the vacuum. Finally, I studied a promising platform to test Qubit's thermodynamics: a hybrid optomechanical system.The formalism developed in this thesis could be of interest for the quantum thermodynamics community as it enables to characterize quantum heat engines and compare their performances to their classical analogs. Furthermore, as it sets quantum measurement as a thermodynamic process, it pave the ways to a new kind of thermodynamic machines, exploiting the specificities of quantum realm in an unprecedented way.

Une mesure adaptative vise à optimiser l'acquisition d'information sur un système à l'aide d'une boucle de rétroaction sur l'appareil de mesure. Dans notre dispositif d'électrodynamique en cavité, nous avons réalisé une mesure adaptative sur un système quantique, le champ micro-onde piégé dans une cavité supraconductrice de très grande finesse. Des atomes de Rydberg circulaires, interagissant dispersivement avec le champ, réalisent une série de mesures dites "faibles", aboutissant à la mesure quantique non destructive du nombre de photons dans le mode. La prise en compte des résultats des mesures successives, de l'action en retour sur le système, et de l'ensemble des imperfections expérimentales, permet à un ordinateur de contrôle d'effectuer une estimation en temps réel de l'état du champ. La phase de l'interféromètre de Ramsey qui définit la mesure réalisée sur les atomes est alors optimisée afin d'extraire un maximum d'information des détections ultérieures. Nous montrons que préparation d'états de Fock est nettement accélérée avec la méthode adaptative, par rapport à un protocole passif utilisant une alternance prédéfinie des phases de mesure. Cette réduction du temps de mesure est d'un grand intérêt en présence de décohérence, et pourrait par exemple être exploitée dans des protocoles de rétroaction quantique existants, où la rapidité de l'estimation d'état est cruciale.

Les postulats de la mesure, définissant une mesure Quantique Non Destructive (QND), précisent que la perturbation minimale sur un objet mesuré est une projection de son état. Les appareils de mesure habituellement utilisés se situent largement au-delà de cette limite minimale. Les photodétecteurs usuels en particulier absorbent, donc détruisent, les photons qu'ils détectent. Dans notre expérience d'électrodynamique quantique en cavité, des atomes de Rydberg circulaires et des photons micro-onde confinés dans une cavité supraconductrice interagissent dans le régime de couplage fort. A l'issue de l'interaction les deux systèmes sont intriqués: chacun d'eux emporte une information sur l'autre. Dans le cas désaccordé, l'effet de l'interaction est un simple déplacement d'énergie des niveaux atomiques, résultant en un déphasage du dipôle proportionnel au nombre de photons, mesurable par interférométrie de Ramsey. Les atomes délivrent donc une information sur le nombre de photons présents dans le champ sans l'avoir modifié. Selon ce principe, nous avons pu grâce au long temps de vie de notre cavité réaliser une mesure QND répétée du nombre de photons. L'évolution du nombre de photons en présence de relaxation révèle alors des sauts brusques, appelés sauts quantiques. Notre expérience a permis la première observation de ce comportement pour la lumière. En décrivant à l'aide de la loi de Bayes l'information délivrée par chaque détection atomique, nous avons pu suivre la projection progressive d'un état cohérent vers des états de Fock contenant jusqu'à sept photons. L'analyse statistique de nos résultats fournit une très claire illustration des postulats de la mesure quantique.

L'invalidité de la mesure quantique est une propriété des phénomènes quantiques.Elle est reliée au fait que la mesure de systèmes quantiques peut les affecter d'une façon que ne peut pas être décrite au sein de la physique classique.Cette thèse étudie la question de l'invasivité des mesures quantiques à travers l'inégalité de Leggett-Garg et d'une autre inégalité basée sur la condition de non perturbation (\ non-disturbance condition "). La violation de ces inégalités témoigne de l'invasivité des mesures quantiques. Dans un premier temps, nous _étudierons un modèle pour la violation de l'inégalité de Leggett-Garg, qui permettra une caractérisation opérationnelle de l'invasivité de la mesure quantique à travers un paramètre appelé la mesurabilité du système physique. Ce paramètre contrôle la violation de l'inégalité de Leggett-Garg et peut être reliée à des tests expérimentaux de cette inégalité. De cette façon, ce paramètre permet la compréhension et l'interprétation de ces violations. Nous avons également étudie, via ce modèle, la relation entre l'invasivité et une définition particulière de la « macroscopicité", associée la »taille " de systèmes de spin. Nous avons ensuite étudie une application de l'invasivité de la mesure quantique dans le cadre des protocoles pour l'estimation de paramètres en métrologie quantique. Une relation générale entre l'information de Fisher et les corrélations quantiques temporelles a été établie, et permet la caractérisation de la robustesse au bruit de scenarios de métrologie. Cette relation sert de ligne directrice pour la connexion entre l'invasivité de la mesure quantique et des scenarios (quasi-)optimaux en métrologie. Nous avons également établi une relation entre l'invasivité de la mesure quantique et une définition de la cohérence macroscopique. Pour finir, nous avons proposé un protocole pour tester la non-invasivité de mesures, basé sur la condition de non perturbation, pour des systèmes de spin de taille arbitraire. Cette inégalité permet de s'assurer contre la possibilité que sa violation soit due à des perturbations classiques de la mesure. Nous avons montré que la valeur maximale pour la violation de l'inégalité correspond au nombre de particules qui constitue le système / Quantum measurement invasiveness is a feature of quantum phenomena, i.e. associated with the fact that measurements can affect quantum systems in a manner which cannot be described by classical physics. In this thesis we will investigate measurement invasiveness through the Leggett-Garg inequality and another inequality based on the non-disturbance condition, both of which, when violated, witness measurement invasiveness. First, we will study a model for the violation of the Leggett-Garg inequality, which will allow us to provide an operational characterization of measurement invasiveness through a parameter called the measurability of the physical system. This parameter controls Leggett-Garg inequality violation and can be associated with experimental tests of this inequality, helping one to understand and interpret them. We will also investigate, through this model, the relationship between measurement invasiveness and a specific definition of macroscopicity, related to the \size" of spin systems. We will then seek to study an application of measurement invasiveness in the context of protocols for parameter estimation or quantum metrology. A general relationship between the Fisher information and temporal quantum correlations will be established, allowing one to characterize the robustness of metrological scenarios against the presence of noise. This relationship will also serve as a guideline for a connection between measurement invasiveness and (nearly-) optimal metrological scenarios. We will also establish a relationship between measurement invasiveness and a definition of a measure of macroscopic coherence. Lastly, we will propose a protocol for testing measurement noninvasiness based on the non-disturbance condition for spin systems of arbitrary size. This inequality allows one to argue against the possibility of its violation being due to the classical disturbance of measurements. We will show that the maximum value for the violation of this inequality Corresponds to the number of particles which constitutes the system.

Nous avons realise une mesure Quantiques Non Destructives du nombre de photons d'un champ piege dans une cavite de temps d'amortissement T=0,13s. Nous envoyons des atomes de Rydberg circulaires a travers la cavite ou une interaction dispersive deplace leur frequence propre proportionnellement au nombre de photons. Ce deplacement lumineux est detecte par interferometrie atomique de Ramsey. Le temps d'amortissement du champ est suffisamment long pour permettre d'observer les sauts quantiques du nombre de photons dus a la relaxation. L'analyse statistique des differentes trajectoires permet de realiser une tomographie partielle de ce processus responsable de la decoherence des etats de Fock |n> en un temps T/n. La projection d'un champ initialement coherent sur un etat de Fock lors de la mesure s'accompagne d'une dispersion totale de sa phase. Cette action en retour est utilisee pour geler la croissance coherente du champ par effet Zenon quantique.

Dans ce mémoire nous présentons l'observation de la décohérence dans une situation simple, modélisant une mesure quantique idéale. Nous exploitons l'interaction entre un champ micro-onde confiné dans une cavité ne contenant que quelques photons et un atome de Rydberg circulaire. Elle crée un état de superposition quantique qui implique simultanément deux états du champ de phases macroscopiquement différentes. La décohérence, i. e. la transformation de la superposition initialement cohérente en un mélange statistique, est observée à l'aide d'un second atome. Celui-ci sonde l'état du champ un certain temps après l'interaction avec le premier atome. Cette étude apporte un élément de réponse expérimental à la question fondamentale que pose la non-existence de superpositions quantiques cohérentes dans le monde macroscopique. Nos résultats sont en très bon accord avec les prédictions théoriques. Ils confirment que le couplage entre un système physique et son environnement se trouve à l'origine de la décohérence.

Les travaux de recherche décrits dans ce mémoire couvrent plusieurs phénomènes spécifiques à la physique mésoscopique des nanocircuits. Une large part de ces travaux porte sur la compréhension des mécanismes d'interactions à l'œuvre et de leur impact sur le temps de cohérence quantique, les transferts d'énergie, la nature des états électroniques ainsi que sur l'électrodynamique des nanocircuits électriques et l'effet de proximité supraconducteur. Dans ce mémoire j'ai cherché pour chacun de mes thèmes de recherche à décrire le cadre dans lequel se situe le travail et à expliquer les principaux résultats. Le lecteur est invité à se référer aux articles pour plus de détails.

En mécanique quantique, toute mesure est responsable d'une action en retour sur le système mesuré, qui limite en général la sensibilité de la mesure. Il en est ainsi dans les mesures interférométriques, où les miroirs de l'interféromètre sont susceptibles de se déplacer sous l'effet de la pression de radiation exercée par la lumière. Nous présentons une expérience visant à mettre en évidence ces limites, basée sur la détection ultra-sensible des déplacements d'un miroir mobile inséré dans une cavité Fabry-Perot de très grande finesse. Grâce aux améliorations que nous avons apportées à ce dispositif, nous avons observé des corrélations entre un bruit classique d'intensité et la phase de faisceaux lumineux, induites par couplage optomécanique avec le miroir mobile. Nous décrivons les conditions expérimentales nécessaires pour prolonger ces expériences au niveau quantique, afin d'observer les corrélations optomécaniques produites par les fluctuations quantiques de la pression de radiation, mais aussi pour réaliser une mesure quantique non destructive de la lumière par des moyens purement mécaniques. Nous présentons également plusieurs conséquences de la pression de radiation que notre montage nous a permis de mettre en évidence : annulation de l'action en retour dans les mesures de longueur ou de force, refroidissement laser du miroir dans une cavité désaccordée, et enfin un effet dynamique de l'action en retour qui conduit à l'amplification d'un signal par la mise en mouvement du miroir. Cet effet, prédit dans le cadre de la détection interférométrique des ondes gravitationnelles, devrait permettre d'améliorer la sensibilité au-delà de la limite quantique standard, qui devrait être atteinte dans les antennes gravitationnelles de seconde génération.