Cette thèse explore certaines possibilités qu’offre l’optique intégrée en silicium pour des applications en ingénierie quantique. Un premier chapitre établi la théorie de la propagation non linéaire scalaire du champ électrique dans des guides d’onde en silicium. La génération de paires dans de tels guides est également présentée. Le second chapitre reprend un travail expérimental de caractérisation des propriétés non linéaires des guides utilisés. Le résultat original principal de ce travail est un montage de caractérisation non linéaire par la méthode D-scan en régime picoseconde. Le coeur du travail est présentée dans le troisième chapitre, il s'agit de la mise en évidence, la caractérisation et de l'étude approfondie de la génération de paires de photons au sein de guides d’ondes. Le dernier chapitre est consacré à l’intégration proprement dite de la source de paires de photons au sein d’un circuit quantique afin de réaliser la majeure partie d’un expérience clé d’optique quantique sur une puce en silicium. Nous présentons deux sources de paires de photons prêtes pour l'intégration avec un circuit optique (paires en cavité et filtration spectrale). Nous présentons ensuite la préparation d'expériences intégrées préliminaires. En particulier, nous montrons l'enchevêtrement en chemin produit dans une structure intégrée. Nous réalisons également l'expérience de Hong-Ou-Mandel.

Cette thése décrit une expérience d'interférométrie de Michelson réalisée pour mesurer la cohérence temporelle de l'émission d'un nanocristal individuel cœur/coquille de CdSe/ZnS. La difficulté d'une telle mesure réside dans la diffusion rapide (0,1 ms) de leur raie d'émission qui élargit le spectre mesuré habituellement. Nous introduisons, dans une description de l'expérience par un formalisme quantique, une méthode baptisée spectroscopie de Fourier à corrélation de photons (PCFS), reposant sur la mesure des corrélations aux temps courts entre les intensités détectées aux sorties de l'interféromètre. Contrairement aux méthodes spectroscopiques standard, la PCFS associe une bonne résolution temporelle à une bonne résolution spectrale (qui est calculée théoriquement en détail). Ceci nous permet d'étudier des nanocristaux individuels, à 300, 20 et 10 K, et de caractériser à la fois leur largeur spectrale et leur diffusion spectrale. Nous mesurons une largeur spectrale de 6,5 micro-eV (soit un temps de cohérence de 200 ps), meilleure de presque deux ordres de grandeur que les largeurs mesurées par spectroscopie d'un nanocristal individuel (0,1-1 meV).

Ce manuscrit est consacré à la caractérisation de structures cristallines pour des applications de technologie quantique. Il est composé de deux parties.Dans un premier projet, nous étudions la transition d'une particule d'un état étendu à un état localisé dans un cristal artificiel quasipériodique, dont le potentiel dépend de la position de la particule. Nous considérons un atome ultrafroid, confiné par un réseau optique et incorporé dans une cavité optique. Le dipôle atomique est en interaction forte avec le champ électrique dans la cavité, ce qui mène à un deuxième potentiel optique pour l'atome. La position de l'atome dans la cavité influence notamment le champ intracavité~: le mouvement de l'atome a donc un effet rétroactif sur le potentiel dans lequel il est confiné. Pour des longueurs d'onde incommensurables, nous montrons que la compétition entre les deux réseaux optiques donne lieu à un potentiel quasipériodique pour l'atome. Nous déterminons les paramètres pour lesquels nous reproduisons le modèle Aubry-André et nous discutons les effets de la rétroaction de la cavité sur la transition de localisation.Le deuxième projet est une proposition pour générer une radiation THz, en utilisant le couplage entre excitons et phonons dans un cristal semi-conducteur. Nous proposons un schéma de conversion de fréquence, basé sur une chaîne d'interactions naturellement présentes dans une cavité semi-conductrice pompée. La partie cruciale du schéma de conversion de fréquence est l'interaction faible entre des excitons et des phonons transverses optiques. Nous la dérivons en commençant avec l'interaction électron-phonon via le potentiel de déformation et en prenant en compte les propriétés de symétrie du cristal. Nous identifions les conditions nécessaires pour générer une radiation THz, nous estimons la puissance de l'émission et nous montrons que l'interaction entre excitons et phonons transverses optiques fournit une susceptibilité non linéaire d'ordre deux. / This thesis is devoted to the characterization of crystalline structures for quantum technological applications. It is composed of two parts.In a first project we study the localization transition of one particle in an one-dimensional artificial quasiperiodic crystal, whose potential depends on the particle position. We consider an ultracold atom in an optical lattice, embedded in an optical cavity. The atom strongly couples to the cavity, leading to a second optical potential. The position of the atom within the cavity affects the cavity field, thus the atomic motion backacts on the potential it is subjected to. For incommensurate wavelengths, we show that the competition between the two potentials yields a quasiperiodic potential. We determine the parameters for which we reproduce the Aubry-Andr'e model and discuss the effects of the backaction on the localization transition.In the second project we propose a frequency down-conversion scheme to generate THz radiation using the exciton-phonon coupling in a semiconductor crystal. Our idea is based on a chain of interactions that are naturally present in a pumped semiconductor microcavity. We derive the crucial exciton-phonon coupling, starting from the electron-phonon interaction via the deformation potential and taking into account the crystal symmetry properties. We identify conditions necessary for THz emission, estimate the emission power and show that the exciton-phonon interaction provides a second-order susceptibility.

Cette thèse s’inscrit dans le domaine de l'opto-mécanique et propose l'utilisation de différentes techniques de mesure et de manipulation des propriétés mécaniques de nano-structures.La première partie de ce travail est dédiée aux fils photoniques. Ces objets sont des structures en GaAs en forme de cône inversé, avec une longueur d’une dizaine de µm et un diamètre inférieur au µm, contenant une couche de boîtes quantiques à l'intérieur. Nous avons démontré une méthode de réglage statique du spectre de photoluminescence de ces boîtes quantiques sensibles à la contrainte, en utilisant des nano-manipulateurs pour contraindre mécaniquement les fils. De plus, grâce à la dépendance spatiale du décalage spectral, il est possible d’établir une carte de la position des boîtes quantiques.La deuxième partie de ce travail concerne la mise en mouvement de ces fils photoniques à l’aide d’un faisceau laser modulé à la fréquence de résonance mécanique. Les mécanismes physiques à l’origine de ces effets sont présentés et discutés.Dans la troisième partie, nous présentons une méthode permettant l’observation d'oscillations mécaniques de nano-fils fins (moins de 50 nm de diamètre) en utilisant un microscope électronique à balayage. Cette méthode originale offre la possibilité de contrôler de nombreux types de structures micro et nano-électromécaniques, dont la détection du mouvement n’est pas possible optiquement en raison de la limite de diffraction de la lumière. De plus, cette méthode permet également d'agir sur les propriétés mécaniques des structures via une force de contre-réaction qui devient non négligeable pour ces structures très légères. Cela ouvre la possibilité d'études fondamentales complémentaires liées au refroidissement du mouvement mécanique. / This thesis is related to the field of opto-mechanics and the use of different techniques for the measurement and manipulation of mechanical properties of nano-structures.First part of the work is dedicated to the photonic wires. These objects are GaAs structures with an inverted conical shape of length of the order of 10 µm and diameter of less than 1 µm, containing a layer of InAs quantum dots inside. Wide-range static stress-tuning of quantum dots photoluminescence spectrum was demonstrated using nano-manipulators to bend the wires. Additionally, owing to the spatial dependence of the spectral shift, this technique offers the possibility of QD positions mapping.The second part of this work concerns the optical actuation of these photonic wires. A laser beam focused on the wire and modulated at the mechanical resonance frequency can set the wire in motion. The physical mechanisms responsible for these effects are presented and discussed.In the third part is presented a method enabling the detection of mechanical oscillations of small (less than 50 nm in diameter) nanowires with the use of a Scanning Electron Microscope. This original method offers a possibility to detect the motion of many types of micro- and nano-electromechanical devices which are too small to be detected optically owing to light diffraction limit.Moreover, this method also affects the mechanical properties of the structures via a back-action force that becomes non-negligible for such small devices. It opens up the possibility for further fundamental studies related to cooling of the mechanical motion.

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.

Les pères fondateurs de la mécanique quantique exploraient les implications de leur théorie avec des "expériences de pensée". Les améliorations continuelles en matière de manipulation de systèmes quantiques individuels ont ouvert la voie à des recherches théoriques et expérimentales. C'est la base de l'information quantique: quand un contenu informationnel est associé à des transformations et mesures sur des systèmes quantiques, cela offre un nouveau paradigme à la théorie de l'information. Une des promesses de l'information quantique est la réalisation d'un internet quantique: des liaisons quantiques permettraient de partager des états quantiques entre les noeuds du réseau. Le contexte de notre travail est l'optique quantique expérimentale dans des fibres optiques aux longueurs d'onde des télécommunications, avec comme perspective des applications en communication quantique. Nous démontrons une nouvelle méthode pour manipuler des photons intriqués en énergie-temps, en utilisant des composants fibrés et optoélectroniques standard. Les photons produits par paires par une source de conversion paramétrique sont envoyés dans des modulateurs de phase électro-optiques indépendants, qui agissent comme des diviseurs de faisceau en fréquence. Nous utilisons ensuite des filtres fréquentiels et des détecteurs de photons uniques pour discriminer les fréquences des photons. Nos résultats expérimentaux incluent l'obtention d'interférences à deux photons robustes, à haute visibilité et à haute dimension, qui permettent la violation d'inégalités de Bell. Cela montre qu'une telle "intrication en bins fréquentiels" est une plate-forme intéressante pour la communication Quantique. / The founding fathers of quantum mechanics explored the implications of their theory with "gedanken experiments". Continuous improvement of the experimental manipulation of individual quantum systems has opened the way to exciting research, both on blackboards and in laboratories. lt is the basis for quantum information processing : when an information content is associated with transformations and measurements of quantum systems, it offers a new paradigm, full of potentialities, to information theory. One of the promises of quantum information is the realization of a quantum internet: quantum communication links would allow to share quantum states between the nodes of the network.Our work lies in the context of experimental quantum optics in optical fibers at telecommunication wavelengths, in view of quantum communication applications. We demonstrate a new method for manipulating photons entangled in their energy-time degree of freedom, by using standard fiber-optic and optoelectronic components. The photon pairs produced by a parametric down-conversion source are sent through independent electro­optic phase modulators, which act as high-dimensional frequency beam splitters. We then use frequency filters and single-photon detectors to discriminate the frequencies of the photons. Our experimental results include robust, high-visibility and high-dimensional two­photon interference patterns allowing Bell inequality violations. This shows that such a "frequency -bin entanglement" provides an interesting platform for quantum communication.

Ce manuscrit porte sur l’étude théorique de techniques expérimentales récemment développées pour réaliser des protocoles d’information quantique en variables continues. Les états Gaussiens multi-modes produits par conversion paramétrique de peignes de fréquences optiques jouent un rôle centrale dans ce travail. Ce phénomène permet de générer de façon déterministe un grand nombre d’états Gaussiens de la lumière. L’état de sortie peut ensuite être de-Gaussifié par soustraction ou addition d’un photon dans une superposition cohérente de modes du champ, puis mesuré par détection homodyne. La thèse est organisée en trois projets principaux. Le premier concerne l’optimisation du spectre du laser de pompe pour manipuler l’état de sortie de la conversion paramétrique. Nous avons développé les outils mathématiques pour traiter des profils spectraux avec amplitude et phase spectrales arbitraires. On a ensuite utilisé un algorithme d’optimisation pour trouver les spectres maximisant des différentes propriétés de l’état de sortie. Une importance particulière est donnée à la production d’"états cluster" en variables continues. Les optimisations ont été développées pour prendre en compte les limitations expérimentales pour assurer la faisabilité des forme spectrales dans les expériences. Dans le deuxième projet nous avons étudié comment les états non-Gaussiens obtenus par soustraction d’un photon d’un état comprimé peuvent être utilisés pour le calcul quantique. Nous proposons un protocole inspiré par le paradigme de "calcul quantique basé sur la mesure" qui combine l’état de-Gaussifié et la mesure homodyne pour approximer des opérateurs unitaires non-Gaussiens. On montre que les mêmes résultats peuvent être obtenus avec des mesure projectives sur des états de photon unique. Finalement, le troisième projet porte sur le partage de secret quantique ("quantum secret sharing"). Dans les protocoles de partage de secret quantique un donneur veut distribuer de l’information codée dans un système quantique à plusieurs joueurs d’une façon qui oblige des sous-ensembles de joueurs à collaborer s’ils veulent retrouver l’information originale. Nous avons développé un protocole qui peut être transféré aux expériences de notre groupe et nous avons participé à la formulation d’une preuve de concept expérimentale. À partir de cela, nous avons dérivé des résultats généraux sur le partage et la reconstruction d’états arbitraires de la lumière en utilisant des ressources Gaussiennes. / The present manuscript reports theoretical investigations about the use of recently developed experimental techniques in the realization of quantum information protocols with continuous variables. The focus of the work is on the multi-mode Gaussian states produced by spontaneous parametric down-conversion of optical frequency combs. Such setup allows to deterministicallyengineer many different Gaussian states of light. The output state can be de-Gaussified subtracting or adding a photon coherently on a superposition of modes and finally measured with pulse-shaped and wavelength-multiplexed homodyne detection. The thesis encompasses three projects. The first concerns the optimization of the spectrum of the pump laser field to engineer the Gaussian output state. We developed mathematical techniques to treat spectral profiles with arbitrary amplitude and spectral phase. We thenran an optimization algorithm to find the spectra maximizing several interesting properties of the state of the down-converted field. A particular emphasis was put on the production of continuous-variable cluster states. The optimizations were developed in such a way as to ensure the experimental feasibility of the optimized pump spectra. In the second project we studied how the non-Gaussian states produced subtracting a photon from a squeezed state can be used for quantum computation. We propose a protocol inspired by the measurement-based paradigm for quantum computation combining the photon subtracted states and homodyne detectionto approximate unitary non-Gaussian operations. We show that the same results can be obtained with projective measurements onsingle-photon states. Finally, the third project deals with quantum secret sharing. In quantum secret sharing schemes a dealer wants to share information encoded in some quantum system with a group of players in such a way that subsets of players need to collaborate if they want to retrieve the information. We devised a secret sharing protocol that could be mapped to the experimental setups developed in our group and participated in the formulation of an experimental proof of principle of such protocol. Starting from this we derived general results for sharing and reconstructing arbitrary quantum states using Gaussian resources.

Les photons apparaissent comme des vecteurs d'information fiables, car ils interagissent peu avec leur environnement. Malheureusement, ils interagissent si faiblement entre eux que la réalisation directe de portes logiques optiques à deux qubits est impossible. La propagation à travers des milieux atomiques non-linéaires permet néanmoins d'engendrer des interactions photon-photon effectives. L'utilisation du phénomène de transparence électromagnétiquement induite (EIT) permet d'induire une forte non-linearité résonante -- néanmoins pas encore détectable dans le domaine quantique, sur une transition d'un système à trois niveaux en “échelle”. Pour augmenter les effets non-linéaires et atteindre le régime quantique, il a récemment été proposé de combiner l'approche EIT au blocage d'excitation induit par les fortes interactions dipôle-dipôle entre atomes de Rydberg. En plaçant le milieu en cavité, on impose à la lumière des passages multiples et on accroît encore la non-linéarité optique. Ce type de dispositif a été étudié théoriquement et expérimentalement dans le régime dispersif et pour une non-linéarité faible, pour lequel un traitement classique du champ est adapté. Dans le présent mémoire, nous nous intéressons aux effets optiques non-linéaires induits par un milieu Rydberg dans le régime quantique.Dans le chapitre 1, nous présentons notre système d'étude, ses équations dynamiques et rappelons la définition et les principales propriétés de la fonction de corrélation d'intensité g^{2}que nous utilisons pour caractériser l'action de la non-linéarité sur le champ incident. Dans le chapitre 2, nous considérons le régime dispersif, i.e. lorsque l'état intermediaire est très désaccordé et peut être éliminé adiabatiquement. Nous utilisons l'approximation des bulles Rydberg selon laquelle le système peut être effectivement ramené à un ensemble de superatomes à deux niveaux couplés au mode de la cavité, décrit par le modèle de Tavis-Cummings forcé. Nous calculons analytiquement et numériquement la fonction g^{2}pour la lumière transmise, qui, selon les paramètres de la cavité, peut être “groupée” ou “dégroupée”. Dans le chapitre 3, nous présentons un traitement alternatif du système, qui nous permet d'étudier le régime résonant. Dans la limite d'un champ incident faible, nous dérivons analytiquement la fonction de corrélation g^{2} pour les lumières transmise et réfléchie, grâce à la factorisation des moyennes de produits d'opérateurs à l'ordre le plus bas de la théorie de perturbation. Nous proposons ensuite un modèle effectif non-linéaire à trois bosons pour le système couplé atomes-cavité. Enfin, nous étudions le régime résonant et observons de nouvelles caractéristiques de la fonction de corrélation g^{2}qui attestent la relation entre les conditions d'adaptation d'impédance de la cavité pour les différentes composantes du champ et les interactions dipôle-dipôle entre les atomes. Dans le chapitre 4, nous analysons le système dans le formalisme de Schwinger-Keldysh. En appliquant le théorème de Wick, nous développons perturbativement les fonctions de corrélation par rapport au Hamiltonien d'alimentation de la cavité et au Hamiltonien d'interaction dipôle-dipôle et effectuons une resommation complète par rapport à ce dernier. Nous retrouvons par cette méthode les résultats du Chapitre 3, sous une forme analytique. Nous allons aussi au-delà et derivons des expressions analytiques pour les composantes élastique et inélastique du spectre en transmission de la cavité. Nous identifions une structure de résonance polaritonique, jusque-là inconnue, que nous interprétons physiquement. Dans le chapitre 5, nous décrivons un protocole de porte photonique de phase de haute fidélité fondé sur le blocage Rydberg dans un ensemble atomique placé dans une cavité optique. Ce protocole peut être réalisé avec des cavités de finesse modérée et permet en principe un traitement efficace de l'information quantique codée dans des photons. / Photons appear as reliable information messengers since they interact very weakly with their environment. Unfortunately, they interact so weakly with each other that the direct implementation of optical two-qubit gates is impossible. The propagation through atomic nonlinear media however allows one to achieve effective photon-photon interactions. The technique of electromagnetically induced transparency (EIT) allows one to induce a strong resonant non-linearity -- not strong enough to be noticeable in the quantum domain though, on one of the transitions of a three-level ladder system. To enhance the nonlinear effects and reach the quantum regime, it was recently proposed to combine the EIT approach with the excitation blockade induced by the strong dipole-dipole interactions between Rydberg atoms. By putting the medium in a cavity, one imposes multiple passes to the light therefore increasing the optical nonlinearity. This kind of setup was studied both theoretically and experimentally in the dispersive regime and for a relatively weak nonlinearity, for which a classical treatment of the field is still valid. In this dissertation, we investigate the optical nonlinear effects induced by a Rydberg medium in the quantum regime.In chapter 1, we present our system, its dynamical equations and recall the definition and basic properties of the intensity correlation function g^{left(2right)}that we use to characterize the action of nonlinearity on the photonic field. In chapter 2, we consider the so-called dispersive regime, i.e. when the intermediate state is far detuned and can be adiabatically eliminated. We employ the Rydberg bubble approximation in which the system effectively consists in an ensemble of two-level superatoms coupled to the cavity mode, described by the driven Tavis-Cummings model. We compute analytically and numerically the g^{left(2right)}function of the transmitted light, which, depending on the cavity parameters, is shown to be either bunched or antibunched. In chapter 3, we present an alternative treatment of the system, which allows us to investigate the resonant regime. In the low-feeding limit, we analytically derive the correlation function g^{left(2right)}left(tauright)for the transmitted and reflected lights, based on the factorization of the lowest perturbative order of operator product averages. We then propose an effective non-linear three-boson model for the coupled atom-cavity system. Finally, we investigate the resonant regime and observe novel features of the correlation function g^{left(2right)}showing the interplay of impedance matching conditions and dipole-dipole interactions. In chapter 4, we analyze the system in the Schwinger-Keldysh formalism. Applying Wick's theorem, we perturbatively expand correlation functions with respect to both, feeding and dipole-dipole interactions Hamiltonians and perform a complete resummation with respect to the latter. By this method we recover the results of Chap. 3 in an analytic form. We also go beyond and derive analytic expressions for the elastic and inelastic components of the cavity transmission spectrum. We identify a polaritonic resonance structure in this spectrum, to our knowledge unreported so far, that we physically interpret. In chapter 5, we describe a novel scheme for high fidelity photonic controlled-phase gates using Rydberg blockade in an ensemble of atoms in an optical cavity. This protocol can be implemented with cavities of moderate finesse allowing for highly efficient processing of quantum information encoded in photons.

La physique quantique fut introduite au début du 20e siècle. Elle<p>apporte une nouvelle description du monde qui nous entoure et en<p>particulier de ce qu'on appelle le monde de l'infiniment<p>petit. Cette nouvelle théorie permet une description adéquate<p>notamment de l'effet photoélectrique, des niveaux énergétiques des<p>atomes, des réactions nucléaires, Elle apporte également une<p>réponse à de nombreuses problématiques telles que la catastrophe<p>ultraviolette. Néanmoins aussi séduisante que soit cette théorie,<p>les prédictions pour le moins contre-intuitives qu'elle apporte,<p>amène rapidement la controverse. Par exemple, en 1935, A.<p>Einstein, B. Podolski et N. Rosen en arrivent à mettre en doute la<p>physique quantique à cause d'une particularité que l'on y<p>rencontre, à savoir l'enchevêtrement. Il s'en<p>suit le célèbre débat avec N. Bohr et l'école de Copenhagen. Parmi<p>les autres aspects propres au monde quantique on peut encore citer<p>la superposition des états, le postulat de la mesure, le principe<p>d'incertitude d'Heisenberg, la dualité onde-corpuscule, le<p>théorème de non clonage, Toutes ces spécificités font de la<p>physique quantique un monde passionnant dans lequel, à l'instar du<p>pays des merveilles d'Alice, l'intuition est souvent dépassée.<p><p>Cette thèse est le fruit de quatre années de travail au cours<p>desquelles nous avons tenté d'observer et d'étudier certains des<p>effets intrigants que nous propose la physique quantique. Plus<p>précisément nous avons utilisé des états particuliers de la<p>lumière afin d'explorer une partie de ce qu'on appelle<p>l'optique quantique.<p><p>Dans un premier temps nous nous sommes intéressés aux possibilités<p>offertes par l'utilisation d'états cohérents de la lumière. En<p>utilisant ces états particuliers nous nous sommes penchés sur<p>l'étude ainsi que sur la réalisation expérimentale d'une tâche qui<p>se révèle impossible classiquement sans hypothèse computationelle.<p>Cette tâche consiste à réaliser un pile ou face entre deux joueurs<p>éloignés l'un de l'autre, par exemple deux joueurs communiquant<p>par téléphone. En effet, classiquement, un des deux joueurs pourra<p>toujours tricher de manière à avoir 100% de chance de gagner le<p>pile ou face.<p><p>Au contraire, si on utilise les ressources offertes par la<p>communication quantique, il est possible de construire des<p>protocoles ne permettant plus à aucun des deux joueurs de tricher<p>parfaitement et ce, sans aucune hypothèse supplémentaire. Même si<p>aucun protocole quantique ne peut empêcher totalement toute<p>tricherie, leur démonstration constitue une preuve de principe<p>quant aux possibilités offertes par la physique quantique dans la<p>réalisation de tâches classiquement impossibles.<p><p>Lors de notre étude du problème, nous avons développé un protocole<p>de pile ou face quantique et étudié ses performances. Nous avons<p>montré que les tentatives de tricherie des deux joueurs avaient<p>une probabilité de succès limitée à 99,7%<100% (biais inférieur<p>à 0,497). L'originalité de cette étude se situe dans le fait que<p>les imperfections expérimentales (efficacité des détecteurs,<p>pertes de transmission, visibilité réduite, ) furent prises en<p>compte, ce qui à notre connaissance n'avait jamais été réalisé. En<p>outre nous avons réalisé une implémentation en optique fibrée de<p>notre protocole et démontré la réalisation d'un pile ou face<p>unique au cours duquel aucun des deux joueurs ne pouvait<p>influencer parfaitement le résultat, ce qui à notre connaissance<p>n'avait également jamais été démontré. L'emploi d'états cohérents<p>de la lumière fortement atténués nous a donc permis de concevoir<p>un protocole de pile ou face quantique et de réaliser une<p>démonstration expérimentale en optique fibrée, d'une tâche<p>impossible à réaliser classiquement.<p><p><p>Après avoir travaillé avec des états cohérents fortement atténués,<p>nous nous sommes intéressés à un autre état quantique de la<p>lumière, à savoir les paires de photons. Ces états constituent non<p>seulement une ressource essentielle pour sonder les effets<p>quantiques de la lumière mais également une ressource<p>incontournable pour l'information et la communication quantique.<p>Nous nous sommes donc attelés à la réalisation d'une source<p>produisant ces paires de photons.<p><p> Les premières sources de paires<p>de photons furent basées sur l'utilisation de cristaux dans<p>lesquels il existe une interaction non linéaire entre la lumière<p>et le matériau du cristal. Malheureusement le désavantage majeur<p>de ces sources est la difficulté à collecter les paires de photons<p>générées. Nous avons donc étudié la possibilité de générer des<p>paires de photons directement dans une fibre optique, la<p>collection des paires y étant réalisée de facto.<p><p>La première solution que nous avons envisagée consiste à utiliser<p>la non-linéarité du troisième ordre de la silice composant les<p>fibres optiques. Plus précisément le phénomène utilisé est appelé<p>l'instabilité de modulation. Ce phénomène permet de détruire deux<p>photons de pompe afin de générer une paire de photons vérifiant<p>les conservations de l'énergie et de l'impulsion. En outre nous<p>avons choisi d'utiliser une fibre optique microstructurée. Ces<p>fibres permettent en effet un plus grand confinement de la lumière<p>que les fibres standards. Il en résulte une interaction non<p>linéaire plus importante, permettant ainsi de générer des paires<p>de photons de manière plus efficace. La fibre utilisée est en<p>outre biréfringente, ce qui permet d'avoir accès à deux types<p>particuliers d'instabilité de modulation: l'instabilité scalaire<p>et l'instabilité vectorielle.<p><p>Dans un premier temps, nous avons observé le processus<p>d'instabilité de modulation dans un régime classique. Les<p>paramètres particuliers de notre fibre microstructurée - forte<p>dispersion anormale et biréfringence modérée<p> - nous ont permis d'observer un régime<p>d'instabilité dans lequel l'instabilité de modulation vectorielle<p>se produit à des fréquences proches de la fréquence de pompe<p>($Omegasim 1$THz). Il en résulte que les bandes de gain liées à<p>l'instabilité de modulation vectorielle sont très proches des<p>bandes de gain liées à l'instabilité de modulation scalaire. Nous<p>avons observé que dans ce régime particulier, les densités<p>d'énergie générées par instabilité de modulation vectorielle sont<p>supérieures à celles générées par instabilité de modulation<p>scalaire. A notre connaissance, il s'agit de la première<p>observation expérimentale permettant de mettre en évidence un gain<p>vectoriel supérieur au gain scalaire.<p><p>La génération de paires de photons grâce à ce processus nécessite<p>de diminuer la puissance de pompe envoyée dans la fibre.<p>Malheureusement nous avons mesuré que dans ce régime de faible<p>puissance (régime quantique), la qualité des paires de photons<p>générées était fortement dégradée par la présence de photons<p>parasites générés par diffusion Raman spontanée. Nous avons estimé<p>que lorsque la puissance de pompe est abaissée suffisamment pour<p>générer en moyenne 0,1~photons dans la bande de gain d'instabilité<p>de modulation vectorielle ($sim$1543 nm), environ 75% des<p>photons détectés auront été générés par diffusion Raman spontanée.<p>Afin de mettre en oeuvre des expériences d'optique quantique<p>utilisant des paires de photons, des solutions doivent donc être<p>appliquées à notre source afin de réduire le nombre de photons<p>générés par diffusion Raman spontanée. Parmi ces solutions nous<p>pouvons citer la discrimination en polarisation des photons<p>générés ainsi que le refroidissement de la fibre grâce à de<p>l'azote liquide. Ces solutions permettraient de réduire le nombre<p>de photons Raman anti-Stokes d'un facteur 18 et le nombre de<p>photons Raman Stokes d'un facteur 4. Malheureusement la tenue de<p>la fibre microstructurée à de très basses températures reste<p>incertaine et l'implémentation de ces solutions rendrait la source<p>difficilement utilisable.<p><p><p>Notre première tentative pour générer des paires de photons dans<p>une fibre optique nous a montré que les paires de photons générées<p>grâce à un processus d'interaction non linéaire du troisième ordre<p>étaient polluées par des photons générés par diffusion Raman<p>spontanée. Une source de paires de photons efficace ne pouvait<p>donc pas être obtenue sans l'aide de solutions technologiques<p>assez lourdes à mettre en oeuvre.<p><p>Nous avons donc investigué une deuxième solution afin de réaliser<p>une source produisant des paires de photons dans une fibre<p>optique. Puisque les non-linéarités du troisième ordre semblent<p>être peu adaptées pour la génération de paires de photons, nous<p>sommes revenus à une non-linéarité du second ordre. Dans ces<p>processus c'est un photon de pompe qui est détruit afin de générer<p>une paire de photons, tout en respectant les conservations de<p>l'énergie et de l'impulsion. Malheureusement les fibres optiques<p>ne permettent pas l'apparition de non-linéarités du second ordre<p>et ce, à cause de la centrosymétrie macroscopique du verre de<p>silice qui compose ces fibres.<p><p>Afin d'induire une non-linéarité du second ordre dans une fibre<p>optique nous avons travaillé en collaboration avec l'équipe du<p>Prof. P. G. Kazansky de l'université de Southampton. En utilisant<p>les techniques de poling thermique et d'effacement par<p>illumination UV, ils réalisèrent une fibre optique twin-hole<p>périodiquement polée dans laquelle les non-linéarités du second<p>ordre furent possibles.<p><p>Grâce à cette fibre nous avons réalisé une source de paires de<p>photons combinant les avantages des effets non linéaires du second<p>ordre, i.e. la puissance de pompe nécessaire est moindre<p>que dans le cas d'une non-linéarité du troisième ordre, la<p>diffusion Raman spontanée n'influence aucunement les paires de<p>photons générées, et les avantages de la fibre optique,<p>i.e. la collection des paires de photons y est réalisée<p>de facto, le mode spatial transverse des paires de photons<p>est bien défini. La mesure du pic de coïncidences de notre source<p>fournit un rapport entre le sommet du pic et le niveau des<p>coïncidences accidentelles de 7,5. Une efficacité conversion<p>$P_s/P_p=1,2,10^{-11}$ fut obtenue en utilisant 43~mW de<p>puissance de pompe. En outre les paires de photons générées<p>possèdent une longueur d'onde de 1556~nm se trouvant ainsi dans la<p>bande C des télécommunications optiques (1530-1565~nm). Elles sont<p>donc bien adaptées à une éventuelle application en communication<p>quantique, dans les réseaux de fibres optiques actuellement<p>utilisés pour les télécommunications optiques. Enfin nous avons<p>utilisé ces paires de photons afin de réaliser l'expérience de<p>Hong-Ou-Mandel permettant de mettre en évidence un effet propre à<p>la physique quantique, à savoir le photon bunching. Une visibilité<p>nette de 40% fut obtenue pour le Mandel dip dans une<p>configuration où la visibilité maximale vaut 50%. En outre cette<p>expérience nous a permis de développer une expertise dans la<p>réalisation d'interféromètres fibrés, stabilisés et contrôlés en<p>température.<p><p><p>La source de paires de photons que nous avons réalisée constitue<p>une démonstration de principe quant à la faisabilité d'une telle<p>source. A l'époque de ce travail, la fibre dont nous disposions<p>était l'une des premières fibres twin-hole périodiquement polées.<p>Aujourd'hui de nombreux paramètres de la fibre ont été améliorés<p>et permettent la réalisation d'une source de paires de photons<p>tout à fait compétitive avec les autres sources existantes. Ainsi<p>l'équipe du Prof. Kazansky est capable de réaliser des fibres<p>périodiquement polées de 20 cm de long possédant une efficacité de<p>conversion normalisée de seconde harmonique de<p>$eta_{SH}=8;10^{-2}$\\%/W. Si l'on suppose toujours une puissance<p>de pompe de 43 mW, cela mène à une efficacité de conversion de<p>$1,0;10^{-9}$ pour le processus de fluorescence paramétrique,<p>soit une amélioration de deux ordres de grandeurs par rapport à<p>notre démonstration. La réalisation d'une source de paires de<p>photons dans une fibre optique périodiquement polée qui serait non<p>seulement utilisable dans des expériences de physique fondamentale<p>mais également dans des applications en communication quantique,<p>est donc tout à fait envisageable dans un futur proche.<p><p><p>Pour résumer, nous avons, au cours de cette thèse, réalisé, dans<p>un premier temps, la tâche classiquement impossible qui consiste à<p>jouer à pile ou face à distance. Ensuite dans l'optique de générer<p>des paires de photons, nous avons étudié le processus<p>d'instabilité de modulation dans une fibre microstructurée. Nous<p>avons ainsi observé un régime particulier dans lequel<p>l'instabilité de modulation vectorielle possède un gain supérieur<p>à celui de l'instabilité de modulation scalaire. Enfin toujours en<p>quête d'une source de paires de photons, nous avons réalisé une<p>source produisant des paires de photons par fluorescence<p>paramétrique dégénérée au sein d'une fibre optique twin-hole<p>périodiquement polée. Les trois principaux sujets abordés au cours<p>de cette thèse ont donc en commun l'utilisation de l'optique<p>fibrée pour la manipulation ou la génération d'états quantiques de<p>la lumière. Il en a résulté l'obtention de trois résultats<p>originaux qui nous ont ainsi permis d'explorer une partie du monde<p>intrigant et fascinant de l'optique quantique.<p><p>/<p><p>Quantum physics was introduced early in the 20th century. It<p>brings a whole new description of our world, mostly at the<p>microscopic level. Since then, this new theory has allowed one to<p>explain and describe lots of physical features like the<p>photoelectric effect, the energy levels of atoms, nuclear<p>reactions, It also brought an answer to lots of remaining<p>unanswered questions like the so-called ultraviolet catastrophe.<p>Though, as attractive as this new theory was at that time, some of<p>its counter-intuitive predictions quickly gave rise to<p>controversy. For instance, in 1935, due to one quantum physics<p>feature called entanglement, A. Einstein, B. Podolski and N. Rosen<p>asked the question: "Can quantum-mechanical description of<p>physical reality be considered complete?". This led to<p>the famous debate with N. Bohr and his Copenhagen interpretation.<p>Amongst other particular features of quantum physics one can cite:<p>the superposition principle, the wave function collapse, the<p>Heisenberg uncertainty principle, the wave-particle duality, the<p>no-cloning theorem, As in Alice in wonderland, all those<p>features actually make quantum physics a fascinating world where<p>intuition is most of the time useless.<p><p>In this thesis we tried to observe and study some of the<p>intriguing features of quantum physics. More precisely we tried to<p>use specific light states to explore part of what is called<p>quantum optics.<p><p><p>First we studied the use of coherent states of light to perform<p>tasks you can not perform using classical physics. For instance in<p>1984, Ch. Bennett and G. Brassard proposed the first quantum<p>cryptography protocol which has an absolute security<p>while classical protocol security still relies on some<p>computational assumptions (the assumption is that today<p>computers computational power is not sufficient to threaten the<p>security of classical protocols. Though this means that classical<p>protocols are not intrinsically secure). Since then quantum<p>physics has been proven useful to perform lots of classically<p>impossible tasks like bit commitment, quantum computation, random<p>number generation, In this work we were interested in the<p>problem of coin tossing by telephone introduced by M. Blum<p>in 1981. In this problem two untrustful and distant<p>players try to perform a coin flip. Classically one can show that,<p>if no computational assumptions are made, one of the players can<p>always force the outcome of the coin flip.<p><p>On the opposite if one uses quantum communication resources, a<p>protocol in which none of the players can cheat perfectly can be<p>built, i.e. none of the players have 100\\% chance of<p>winning the protocol even by using the best possible cheating<p>strategy. Moreover this is possible without any other assumption<p>than the validity of the laws of physics. Though a quantum<p>protocol for coin tossing can not completely prevent from cheating, the demonstration of such a protocol would<p>be a proof of principle of the potential of quantum communication<p>to implement classically impossible tasks.<p><p>In our work, we have developed a quantum coin tossing protocol and<p>studied its performances. We have shown that the success cheating<p>probability of the players is bounded by 99,7%<100%, which is<p>better than what is achieved in any classical protocol. One of the<p>originalities of our work is that, for the first time to our<p>knowledge, experimental imperfections (detectors efficiency,<p>losses, limited interference visibility, ) have been taken into<p>account in the theoretical analysis. Moreover, using coherent<p>states of light, we have demonstrated a fiber optic experimental<p>implementation of our protocol and performed a single coin flip<p>where none of the two players could perfectly influence the<p>outcome. This is to our knowledge the first experimental<p>demonstration of single quantum coin tossing.<p><p><p>After coherent states of light, we wanted to work with a more<p>complex quantum state: photon pairs. Not only those states are<p>useful for fundamental physics tests but they also are an<p>important resource for quantum communication. For those reasons<p>our first objective was to build a source that would generate<p>those photon pairs.<p><p>First photon pairs sources were based on bulk nonlinear crystals.<p>Unfortunately the main drawback of those sources is the low<p>collection efficiency of the generated photon pairs. That's why we<p>investigated the possibility of generating the photon pairs<p>directly in a waveguiding structure where they would be readily<p>collected.<p><p>The first solution that we envisaged was to use the natural third<p>order nonlinearity of silica fibers. More precisely the phenomenon<p>we wanted to used is called modulation instability. In this<p>process, two pump photons are destroyed and a photon pair is<p>created with energy and momentum conservations. Moreover we<p>decided to use this process in a photonic crystal fiber. The high<p>confinement of light in this kind of fiber allows a higher<p>nonlinearity and thus a more efficient generation of photon pairs.<p>Finally the fiber we used was birefringent which enables both<p>vectorial and scalar modulation instability to occur.<p><p>As a first experiment, we decided to observe modulation<p>instability in a classical regime where a lot of photons are<p>created. The specific parameters of our photonic crystal fiber -<p>high anomalous dispersion and moderate birefringence - allowed us<p>to observe a regime where the vectorial instability gain band has<p>a similar detuning from the pump as the scalar instability gain<p>band. In this regime we also observed an enhancement of the<p>vectorial gain above the scalar gain which has been confirmed<p>theoretically. To our knowledge this was the first experimental<p>observation of this particular regime of instability.<p><p>To generate photon pairs with this instability process we need to<p>lower down the pump power. Unfortunately we measured that, when<p>pump power was sufficiently lowered to generate ~0,1 photon<p>pairs per pump pulse sent in the fiber, about 75% of generated<p>photons were created by spontaneous Raman scattering and not<p>modulation instability. In order to build an efficient photon pair<p>s secteurs financiers et, en particulier, au rôle de la religion musulmane. Nous montrons que, en moyenne, la finance islamique favorise le développement du secteur bancaire dans les pays musulmans. Plusieurs pays ont en effet réussi à développer un nouveau secteur bancaire compatible avec la Shariah, sans porter ombrage au secteur bancaire non islamique avec lequel il co-existe. Notre analyse empirique est fondée sur une base de données nouvelle et originale. Celle-ci a pour intérêt de fournir des indicateurs de taille et de performance des banques islamiques de dépôt dans le monde, pour la période 2000-2005.<p> Dans le deuxième essai, nous explorons les rendements inconditionnels obtenus sur les marchés boursiers, en particulier les marchés émergents d'actions. Notre analyse d'un large panel de 53 marchés émergents "Majeurs" et "Frontières" confirme les résultats traditionnellement observés dans la littérature. Ainsi, pour l'essentiel, les deux types de marchés sont volatils et émaillés d'événements extrêmes. De plus, les rendements des marchés émergents sont faiblements corrélés avec ceux du reste du monde, même si ces corrélations ont augmenté au cours des derniers décennies. Malgré d'importantes différences en terme de taille et de liquidité, les rendements sur marchés "Frontières" sont qualitativement similaires à ceux des marchés "Majeurs", à l'exception des corrélations. Ces dernières sont en effet actuellement plus faibles dans les marchés "Frontières", qui continuent dès lors à offrir d'importants bénéfices de diversification aux investisseurs internationaux.<p> Dans le dernier essai, nous examinons la relation entre les transferts d'argent des migrants et la croissance économique. Nous confirmons l'idée que les transferts de fonds des migrants sont importants pour les pays en voie de développement. Mais surtout, nous démontrons, de manière théorique et empirique, qu'il est crucial de faciliter dans ces pays l'accès aux comptes de dépôt bancaires, afin de transformer une plus grande part des transferts des migrants en investissements productifs. Ceci est d'autant plus vrai quand l'accès aux autres sources de capitaux internationaux est coûteux.<p>on pairs well defined). A coincidence<p>measurement was performed resulting in a coincidence peak with a<p>7,5 ratio between the peak and the accidental coincidences level.<p>A conversion efficiency $P_s/P_p=1,2,10^{-11}$ was obtained using<p>43 mW of pump power. Moreover photon pairs were generated around<p>1556~nm in the optical communications C-band, which makes them<p>suitable for quantum communication applications using installed<p>fiber optic networks. Finally using the generated photon pairs we<p>performed the Hong-Ou-Mandel experiment highlighting the bosonic<p>nature of photons. We obtained a Mandel dip with a net visibility<p>of 40% in a configuration where the maximum visibility is 50%.<p><p>The photon pair source that we realized is a proof of principle of<p>the high potential of poled fibers in quantum applications. Indeed<p>today, Prof. P. G. Kazansky's team is able to make a 20 cm poled<p>fiber with a nonlinearity $eta_{SH}=8;10^{-2}$\\%/W. If we still<p>suppose 43~mW of pump power, this leads to a $1,0;10^{-9}$<p>conversion efficiency for parametric fluorescence, improving our<p>result by two orders of magnitude. The realization of an efficient<p>photon pair source based on parametric fluorescence in<p>periodically poled twin-hole fiber suitable for quantum<p>applications is thus absolutely possible in a very near future. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Ce mémoire de thèse a pour sujet l'étude théorique des propriétés non-classiques de la lumière émise par les microcavités semiconductrices dans le régime de couplage fort. Dans ce cadre, nous avons étudié ces structures comme des sources de photons uniques ou de photons jumeaux. Nous avons démontré dans un premier temps l'opportunité de créer une source de lumière de statistique sub-poisonnienne à partir de structures photoniques confinées. Pour des boîtes photoniques suffisamment étroites au sein de microcavités semiconductrices, on atteint un régime non-linéaire tel que l'introduction d'un seul photon suffit à décaler la résonance d'absorption de la structure de plus d'une largeur de raie, engendrant le phénomène de blocage quantique. Nous avons montré qu'en utilisant ce mécanisme de blocage, il est possible de créer une source de photons uniques originale, dont nous avons présenté les caractéristiques. Nous avons présenté les différents aspects de son fonctionnement tant en régime continu qu'en régime pulsé. Dans un deuxième temps, nous avons étudié les propriétés de corrélation entre paires signal et complémentaire émises par fluorescence paramétrique dans une configuration d'excitation symétrique dans une microcavité planaire. En utilisant l'algorithme de Monte Carlo quantique, nous avons montré qu'il existe des corrélations quantiques entre ces deux faisceaux. En étudiant l'impact du désordre (qui brise l'invariance par translation) de la cavité sur ces corrélations, nous montrons que celui-ci dégrade le caractère quantique des corrélations lorsque l'intensité de l'excitation est modérée. La dépendance en intensité des corrélations quantiques entre faisceaux a été caractérisée au-dessus et en-dessous du seuil d'instabilité paramétrique, nous permettant d'identifier le régime où le caractère non-classique du système est maximal.