Les techniques de refroidissement laser ont réalisé des progrès immenses depuis le début des années 80. Affranchis de toutes les incertitudes inhérentes au mouvement thermique, les physiciens sont désormais en mesure de réaliser des dispositifs de mesure toujours plus précis, tels des horloges ou des gravimètres, en s'appuyant sur l'interaction parfaitement contrôlée entre le champ électromagnétique et de simples nuages d'atomes. De plus en plus, l'utilisation d'atomes ou d'ions comme ultime porteurs d'information apparait comme une solution plausible à la réalisation d'ordinateurs quantiques. Dans cette optique, de nombreux efforts sont consentis afin de miniaturiser, de simplifier, et de rendre possible la production en masse de cette technologie permettant de manipuler les atomes avec tant de précision. L'introduction des puces à atomes a permis de réaliser un grand pas dans cette direction, réduisant drastiquement l'encombrement et le coût des expériences de refroidissement d'atomes. Désormais, la réalisation de dispositifs sur puce permettant d'étendre les possibilités de manipulation des atomes piégés est devenue un objectif majeur. <br> Dans ce travail de thèse, nous avons réalisé le premier détecteur d'atomes uniques piégés sur une puce à atomes, basé sur l'interaction avec un mode de cavité optique dans le régime de couplage fort. La cavité optique est directement intégrée à la puce à atomes. Fonctionnant dans le régime de détection dite "non-destructive", le dispositif de détection permet de préparer de manière déterministe un atome unique piégé dans un piège dipolaire, avec une précision en position submicrométrique, et dans un état interne spécifique. La détection en tant que telle permet de mesurer l'état hyperfin de l'atome, en perturbant son état externe nettement moins qu'un système de détection fonctionnant en espace libre. <br> Ce nouveau dispositif de préparation et de mesure est utilisé dans une expérience d'effet Zénon quantique, la première à être effectuée avec des atomes neutres individuels. Sous l'effet de la mesure, l'oscillation de Rabi entre les deux sous-niveaux hyperfins $\s{F=1}$ et $\s{F=2}$ du niveau fondamental de l'atome de Rubidium 87 est stoppée. L'expérience, effectuée à la fois dans le régime continu et le régime pulsé, permet de montrer l'adéquation entre le flux d'information extraite du système et le flux de photons traversant la cavité optique de détection.

Ce travail porte sur la conception et la caractérisation de sources semiconductrices d'états à deux photons pour l'information quantique intégrée. Ces dispositifs, basés sur la fluorescence paramétrique dans des guides d'onde en AlGaAs, émettent des paires de photons à température ambiante aux longueurs d'onde des télécommunications. La première source est une diode laser émettrice de photons jumeaux, basée sur un accord de phase modal entre un mode laser de Bragg à 775 nm injecté électriquement et les modes de photons télécom au sein du même guide d'onde. Nous détaillons le design de la structure, sa caractérisation optique linéaire et non linéaire et son comportement sous injection de courant. L'obtention de l'émission laser et de la génération de seconde harmonique sur un même dispositif ouvre la voie vers une source ultra-compacte de paires de photons. Le second dispositif étudié repose sur une géométrie de pompage transverse où un faisceau laser incident sur le dessus du guide génère deux photons télécom guidés et contrapropageants. Nous explorons la grande versatilité de l'état quantique des paires générées par cette source, avec notamment les possibilités d'ingénierie de l'état dans le domaine fréquenciel offertes par cette géométrie. Nous présentons également la première démonstration expérimentale d'états intriqués en polarisation obtenue avec ce dispositif, ainsi qu'un modèle permettant de calculer la qualité de l'intrication à partir des distributions spatiales et spectrales du faisceau de pompe. Ces sources d'états non classiques, compactes et injectables électriquement, sont d'excellents candidats pour les implémentations photoniques de l'information quantique.

L'avenir des communications quantiques réside dans le développement de répéteurs pour lesquels une mémoire quantique est nécessaire et permet de chaîner plusieurs transferts d'intrication. Ces mémoires exigent une largeur spectrale très étroite (< 100MHz), ce qui impose des contraintes fortes sur la qualité des sources de paires de photons intriqués. Dans le cadre de cette faible largeur spectrale, nous étudions les performances des sources de photons jumeaux basées sur la fluorescence paramétrique dans un cristal non-linéaire. Pour assurer la propagation sur de longues distances, les photons sont émis à 1550 nm et couplés dans des fibres optiques. Pour les besoins de synchronisation, nous nous intéressons au cas de sources impulsionnelles. Après une étude de l'effet de leurs différents degrés de liberté sur leurs performances, nous apportons deux contributions utiles à la réalisation de sources optimales. La première, basée sur une étude théorique confirmée par l'expérience, est un résultat nouveau et général donnant les conditions optimales d'interaction paramétrique en vue de maximiser non pas la brillance de la source, mais l'efficacité d'extraction des paires, critique du point de vue de la qualité. La seconde contribution consiste en une technique originale de mesure directe de cette efficacité d'extraction. Outre les mesures de taux de détection (coups simples et coïncidences) effectuées par exemple lors d'une mesure de Bell, cette technique ne fait appel qu'à la connaissance de la forme spectrale du filtrage des photons jumeaux. Ces résultats théoriques de portée générale, et la technique simple développée, constituent deux éléments d'une étude détaillée des sources basée sur la fluorescence paramétrique.

Cette thèse est consacrée à l'étude de l'émission paramétrique produite par des microcavités de semiconducteurs sous excitation résonnante. Ces systèmes, formés par des puits quantiques insérés au milieu d'une cavité optique de taille micrométrique, montrent des effets non-linéaires optiques. La lumière paramétrique ainsi générée a des propriétés extrêmement intéressantes, que nous avons étudié dans les microcavités unidimensionnelles, ou fils photonique, et dans les microcavités multiples. L'utilisation de ces échantillons structurés permet d'obtenir des faisceaux paramétriques équilibrés en intensité et sous incidence normale du faisceau de pompe, caractéristiques très attractifs pour des possibles applications futures. La production de deux faisceaux paramétriques, signal et complémentaire, observée sur les fils photoniques nous a poussé à étudier les corrélations entre ces deux faisceaux. A l'aide d'un interféromètre de type Hanbury Brown et Twiss nous avons réalisé des mesures de fonction de corrélation du second ordre. La statistique des photons de chacun des deux faisceaux et leurs corrélations mutuelles ont été étudiées. L'étude de l'émission paramétrique en régime OPO sur des microcavités planaires multiples a mis en évidence une brisure de symétrie et la formation de motifs issus des non-linéarités propres de notre système. Nous avons aussi mis en évidence la possibilité de contrôler de façon toute optique ces motifs, à la fois à l'aide de la polarisation linéaire du faisceau de pompe et à l'aide d'un deuxième faisceau, dit sonde. Avec cette étude nous sommes à même de marquer une analogie fondamentale entre les OPO de microcavité et les OPO de taille macroscopique.

Ce travail porte sur l'étude de la cohérence entre champs triplets générés par interaction non linéaire d'ordre trois. Un protocole indirect, basé sur l'étude du champ issu de la somme de fréquences des champs triplets dans un cristal non linéaire a été envisagé. Une modélisation théorique en formalisme quantique de l'évolution des champs, de leur génération à leur recombinaison, a été développée, donnant lieu à une recherche exhaustive des signatures de corrélations susceptibles d'émerger de notre protocole. Les expériences menées, à savoir la génération non linéaire bi-stimulée et la recombinaison des champs ainsi générés, sont en accord avec notre modèle théorique et permettent de mettre en évidence le masquage des corrélations entre les champs dans ce régime fortement injecté, ces corrélations étant contenues dans les fluctuations quantiques, alors négligeables, des opérateurs champs. Le calcul théorique prédit une signature de corrélations fortes entre les photons triplets dans la cas d'un génération par fluorescence paramétrique, et plus faible dans le cas d'une génération mono-stimulée.

Les plasmons de surface (SP) sont des modes du champ électromagnétique confinés à l'interface entre un métal et un diélectrique. De par leur nature hybride, les SP permettent de concentrer et manipuler la lumière à des échelles sub-longueur d'onde. Ces propriétés sans précédent suscitent un grand intérêt, en particulier pour le transport et le traitement de l'information quantique mais aussi pour le contrôle de l'émission spontanée d'émetteurs fluorescents. Les études présentées dans ce manuscrit s'intéressent au couplage de nanostructures plasmoniques avec des nanoparticules luminescentes. L'outil utilisé est un microscope optique en champ proche (SNOM) dans lequel la nano-source de lumière est un nano-objet fluorescent attaché en bout de pointe (sonde active). Cette technique permet à la fois d'augmenter la résolution théorique accessible en SNOM mais aussi de positionner la sonde avec une précision nanométrique et de l'exciter directement grâce à la lumière laser injectée dans la fibre optique. En utilisant uniquement la lumière émise par l'objet, ces pointes ouvrent la voie à des études originales en nano-optique et en plasmonique. Dans ce travail de thèse, deux aspects distincts ont été abordés. D'une part, nous avons étudié les propriétés des plasmons de surface dans le régime de la plasmonique quantique en utilisant pour cela une sonde active fabriquée à base d'un émetteur de photons uniques, le centre NV (nitrogen-vacancy) contenu dans les nano-diamants. Les résultats fondamentaux obtenus sur ce système permettent d'envisager de nombreuses expériences en plasmonique quantique. D'autre part, le travail de développement des sondes actives à base de nanocristaux de YAG (yttrium-aluminum garnet) dopés au cérium a été poursuivi. Ces sondes nous ont permis de démarrer de nouvelles études sur les résonances plasmoniques localisées de particules colloïdales en or.

À la surface d’un métal, la lumière visible peut se coupler avec les électrons libres pour engendrer une quasi-particule particulièrement intéressante, le plasmon-polariton de surface. Cet objet a pour propriété d’être évanescent dans les directions perpendiculaires à la surface, ce qui en fait un support idéal pour transporter l’information lumineuse à deux dimensions, et sur des échelles sub-longueur d’onde. S’il est excité par une source quantique, il conserve cet aspect quantique du signal, même si des millions d’électrons sont impliqués dans sa propagation.Dans ce manuscrit, je présente les résultats expérimentaux et théoriques obtenus en plasmonique de surface durant mon doctorat. En associant l’utilisation de centres colorés azote-lacune (NV) dans les nanodiamants, qui sont des émetteurs de photons uniques, et d’un microscope optique en champ proche (SNOM), j’ai pu étudier de nombreuses propriétés du centre NV et des plasmons de surface dans les domaines classique et quantique.Notamment, j’ai réalisé une étude complète de la photo-dynamique interne du centre NV, dans différents régimes d’excitation. De plus, j’ai étudié le mode d’imagerie des plasmons de surface qu’est la microscopie à fuite radiative, en mettant en lumière certaines aberrations optiques pouvant survenir dans des conditions de désaccord d’indices optiques. J’ai ensuite effectué des mesures de corrélations spatio-temporelles de plasmons de surface excités par des centres NV, grâce à un système expérimental spécifique que j’ai mis en œuvre.Enfin, je décris dans ce manuscrit les toutes premières études de l’interaction des plasmons avec différentes cavités elliptiques et paraboliques gravées dans le métal, qui ont mené notamment à des mesures de densité locales d’états (LDOS) plasmonique. / On a metal surface, visible light can couple with surface free electrons to form a very interesting quasi-particle, the surface plasmon-polariton. The main property of this object is to be evanescent in the directions perpendicular to the surface. This feature makes the plasmon ideally suited to transport electromagnetic information in two dimensions and on a sub-wavelength scale. If it is excited by a quantum source, it retains this quantum aspect of the signal, even if millions of electrons are involved in its propagation.In this manuscript, I present the experimental and theoretical results obtained during my PhD in surface plasmonics. By combining the use of nitrogen vacancy (NV) color centers in nanodiamonds, which are single photon emitters, and of a scanning near field optical microscope (SNOM), I was able to study numerous properties of the NV center and surface plasmons, both in the classical and quantum regimes.In particular, I have performed a complete study of the internal photo-dynamics of the NV center in different excitation regimes. Moreover, I have studied the leakage radiation microscopy, a dedicated imaging mode in plasmonics , by highlighting some optical aberrations that can arise in conditions of optical index mismatch. Furthermore, I have ran spatio-temporal correlation measurements on surface plasmons excited by NV centers with a specific experimental system I implemented.Finally, I describe in the manuscript the very first studies of the interaction between plasmons and different elliptical and parabolic cavities milled in the metal. This has led to the measurements of the plasmonic local density of states.

Ces dernières années, de considérables efforts expérimentaux ont été dévoués au développement d’outils de nanoélectronique quantique, dans le but d’atteindre un niveau de contrôle sur le transport électronique quantique à l’échelle de l’électron unique. Ces avancées ont poussé à un changement de paradigme dans le domaine du transport électronique cohérent et donné naissance à l’optique quantique électronique, domaine dans lequel cette thèse s’inscrit. Cette thèse est consacrée à deux problématiques. Tout d’abord, elle s’intéresse au problème des interactions Coulombiennes entre électrons, qui donnent lieu à un phénomène de décohérence qu’il est nécessaire de caractériser et de prédire au mieux afin de le contrôler. En utilisant une approche analytique et numérique, il a été possible de prédire l’effet de ces interactions sur un système expérimentalement accessible, prédiction qui a ensuite été confirmée par l’expérience. Dans la foulée de ce résultat, cette thèse présente des possibilités de contrôle de ces interactions, et propose un moyen de les mettre en œuvre qui devrait pouvoir être testé dans une expérience. Je me suis également confronté à la problématique de la caractérisation d’états quantiques complexes. En particulier, suite à la démonstration expérimentale d’un protocole de tomographie pour des états mono-électroniques, je me suis tourné vers l’extension de ce protocole à des états plus complexes, pouvant exhiber des propriétés de cohérence à deux électrons, voire plus. Ces états étant également sensibles aux interactions de Coulomb, une extension au cas multi-électronique des outils utilisés pour traiter ces interactions est proposée dans cette thèse. / Over the last few years, extensive experimental efforts have been devoted to thedevelopment of quantum nanoelectronics tools aiming at controlling electronic trans-port down to the single electron level. These advances led to a paradigm shift inthe domain of coherent electronic transport, giving birth to electron quantum optics,which is the domain of this work.This manuscript is devoted to two problems. The first of these is the one ofCoulomb interactions between electrons, which lead to a decoherence phenomenonthat must be characterized and predicted in order to be controlled. Using an analyt-ical and numerical approach, it became possible to predict the effect of interactionson an experimentally relevant system, a prediction that was then confirmed in the ex-periment. After this result, this manuscript displays some ideas aiming at controllinginteractions and proposes some ways to test them experimentally.In this work, I also took on the problem of characterizing complex quantum states.In particular, following the experimental demonstration of a tomography protocol forfirst order coherences, I tried to extend this protocol to more complex states thatcould exhibit two-electron coherences, or more. These states being also sensitive to Coulomb interactions, an extension of the tools used to treat interactions to thismulti-electronic state is also presented in this work.

L'objectif de ce travail de thèse est d'étudier le couplage plasmon-émetteur dans des structures plasmoniques hybrides, visant à renforcer l’interaction lumière-matière à l'échelle nanométrique. Contrairement aux cavités optiques dont le volume de modes est limité par la diffraction, les cavités plasmoniques offrent un unique avantage d’efficacité du confinement sub-longueur d'onde. Cela peut conduire à l’accroissement de la fluorescence des émetteurs placés dans leur voisinage. Pour cela, nous proposons comme dispositif de focalisation une structure intégrée d’un réseau annulaire avec des nanoantennes afin de garantir une meilleure efficacité. Ce dispositif bénéficie du couplage entre des plasmons polaritons de surface (SPP) qui se propagent à partir du réseau et des plasmons localisés de surface (LSP) localisés aux niveaux des nanoantennes afin de parvenir à une augmentation de champ plus élevée. Nous présentons une étude de caractérisation de la plate-forme plasmonique constitué du réseau de diffraction métallique annulaire, d’une nanoantenne en étoile, et la structure intégrée réseau/nanoantenne. Nous montrons comment cette structure peut conduire à une plus grande émission des molécules de colorants ainsi que de centre SiV du diamant. La combinaison du confinement sub-longueur d'onde des LSP et l'énergie élevé des SPP dans notre structure conduit à une focalisation précise qui peut être mis en œuvre pour étudier le couplage plasmon-émetteur dans les régimes de couplage faibles et forts / There is a growing interest nowadays in the study of strong light-matter interaction at the nanoscale, specifically between plasmons and emitters. Researchers in the fields of plasmonics, nanooptics and nanophotonics are constantly exploring new ways to control and enhance surface plasmon launching, propagation, and localization. Moreover, emitters placed in the vicinity of metallic nanoantennas exhibit a fluorescence rate enhancement due to the increase in the electromagnetic field confinement. However, numerous applications such as optical electronics, nanofabrication and sensing devices require a very high optical resolution which is limited by the diffraction limit. Targeting this problem, we introduce a novel plasmonic structure consisting of nanoantennas integrated in the center of ring diffraction gratings. Propagating surface plasmon polaritons (SPPs) are generated by the ring grating and couple with localized surface plasmons (LSPs) at the nanoantennas exciting emitters placed in the gap. We provide a thorough characterization of the optical properties of the simple ring grating structure, the double bowtie nanoantenna, and the integrated ring grating/nanoantenna structure, and study the coupling with an ensemble of molecules as well as single SiV centers in diamond. The combination of the sub-wavelength confinement of LSPs and the high energy of SPPs in our structure leads to precise nanofocusing at the nanoscale, which can be implemented to study plasmon-emitter coupling in the weak and strong coupling regimes

Les expériences de physique quantique ont atteint un niveau de contrôle permettant de préparer avec précision l'état quantique de nombreux systèmes physiques. Cela a mené à la naissance de l'optique quantique électronique, un sujet émergent qui vise à préparer, manipuler et caractériser l'état de courants électriques contenant quelques excitations électroniques se propageant dans un conducteur quantique ballistique. Ceci est un défi conséquent qui se heurte à la difficulté de caractériser un état quantique à N corps.Le sujet de cette thèse sera le développement de méthodes de traitement du signal quantique permettant d'accéder à une connaissance partielle d'un tel état pour des courants électriques quantiques. Une première méthode consiste à les analyser à nombre d'excitations fixé au travers des cohérences électroniques. Pour cela, nous élaborons une analyse de la cohérence à un électron en termes d'atomes de signaux électroniques. En combinant cela au protocole de tomographie par interférometrie HOM, nous présentons la première autopsie, fonction d'onde par fonction d'onde, d'un courant électrique quantique.Une autre approche consiste à examiner des indicateurs sondant directement l'état à N corps. Nous étudions le rayonnement émis par un conducteur quantique ainsi que la décohérence électronique d'une excitation à un électron. Ensuite nous analysons la distribution de probabilité de la chaleur dissipée par un système quantique mésoscopique. Dans ce cadre, nous développons une théorie de l'effet Joule en régime quantique et à explorons comment celle-ci pourrait permettre de sonder l'état à N corps / Quantum physics experiments have reached a level of precision and control that allows quantum state engineering for many systems. This has led to the birth of electron quantum optics, an emerging field which aims at generating, manipulating and characterizing quantum electrical currents built from few-electron excitations propagating within ballistic quantum conductors. This is challenging since it is generically impossible in practice to fully characterize the many-body state of a beam containing indistinguishable electrons. The thesis presents new quantum signal processing approaches for accessing, at least partially, to the quantum many-body state of quantum electrical currents.A first approach is to access such a state at few-particle levels through electronic coherences. We will thus present a new representation of single-electron coherence in terms of electronic "atoms of signal". Combining this signal processing algorithm to HOM tomography enables us to present the first autopsy, wavefunction by wavefunction, of an experimental electrical quantum current. Another method is to look for indicators giving information directly at the many-body level. We will investigate the radiation emitted by a quantum conductor and address the problem of decoherence of a general single-electron excitation. Finally, we will look at the heat deposited by a mesoscopic quantum system, leading to a quantum version of Joule heating and discuss how it gives an insight on the many-body state of the electron fluid