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

L'objectif de ce travail de recherche est l'étude des posibilités offertes par une nouvelle approche de l'information quantique basée sur des variables quantiques continues. Lorsque ces variables continues sont portées par le champs éléctromagnétique, un grand nombre de protocoles d'information quantique peuvent être implémentés à l'aide de lasers et d'éléments d'optique linéaire standards. Cette simplicité expérimentale rend cette approche très intéressantes d'un point de vue pratique, en particulier pour le développement des futurs réseaux de communications quantiques.<p><p>Le travail peut se diviser en deux parties complémentaires. Dans la première partie, plus fondamentale, la relation complexe qui existe entre l'intrication et la nonlocalité de la mécanique quantique est étudiée sur base des variables optiques continues. Ces deux ressources étant essentielles pour l'information quantique, il est nécessaire de bien les comprendre et de bien les caractériser. Dans la seconde partie, orientée vers des applications concrètes, le problème de la correction d'erreur à variables continues est étudié. Pouvoir transmettre et manipuler l'information sans erreurs est nécessaire au bon développemnent de l'information quantique, mais, en pratique, les erreurs sont inévitables. Les codes correcteurs d'erreurs permettent de détecter et corriger ces erreures de manière efficace.<p> / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

A MBS (Multi-port beamsplitter) for higher dimensional quantum communication has been designed and constructed and the theory and method for this is presented in this thesis. It uses optical fibers in a heterogeneous structure with a single-mode fiber spliced to a multi-mode fiber and then spliced to a few-mode fiber. Three MBS:s were constructed and tested to see if superpositions between spatial modes could be generated. One with 5.65cm multi-mode fiber, one with 9cm of multi-mode fiber and one with just the single-mode fiber spliced to the few-mode fiber. The optical modes that where focused on for the superposition were the linear polarized LP01, LP11a and LP11b modes. Simulations of superpositions between these modes were performed and experiments were done to see if these simulations could be realised. The shapes of these superpositions could be seen with a camera and the stability of the different modal powers and the stability of the phases between the modes where also tested. The last experiment tested the tunability of the modes by finding their maximum and minimum output power for each individual mode. The results of these experiments show that the stability of power and relative phases are high and testing of the tunability shows that the 9cm MBS is the most tunable, the 5.65cm MBS the second best and the SMF-FMF MBS the worst. Even though the shapes of the superpositions, the stability and tunability shows very positive results, the conclusion is that more experiments are required in order to identify the superpositions and for this to be used in a quantum communication system. / En Multi-port stråldelare (MSD) för kvantkommunikation med hjälp av rumsliga optiska moder har blivit designad och konstruerad. Teorin, metoden och resultatet av detta arbete presenteras i denna uppsats. Denna konstruktion använder sig av optiska fiber i heterogena strukturer med en single-mode fiber svetsad till en multi-mode fiber som i sin tur är svetsad till en few-mode fiber. Tre stycken MSD blev konstruerade och testade för att se om superpositioner mellan rumsliga moder kunde bli genererade, en med 5.65cm multi-mode fiber, en med 9cm multi-mode fiber och en med bara en single-mode fiber svetsad till en few-mode fiber. De moder som fokuserades på för superpositionerna var de linjärpolariserade moderna LP01, LP11a och LP11b. Superpositionerna simulerades och sen genomfördes experiment för att se ifall de kunde bli genererade. Formerna av dessa superpositioner kunde hittas och synliggöras med en kamera. Stabiliteten av modernas energi och stabiliteten av faserna mellan moderna testades också. Det sista experimentet som gjordes testade justerbarheten av moderna genom att hitta den minimala samt maximala intensiteten för varje mod. Experimenten visar att intensiteterna och de relativa faserna har hög stabilitet för alla konstruerade MSD, men i justerbarhets experimentet visar det sig att 9cm MSD:en presterar bäst, 5.65cm MSD:en presterar näst bäst och SMF-FMF strukturen presterar sämst. Trots att formerna av superpositionerna kunde hittas för alla tre konstruktioner, och att testen i stabiliteten visar goda resultat så krävs mer experiment för att identifiera superpositionerna mellan moderna och ifall denna konstruktion går att implementera i ett kvantkommunikationssystem.

<p>  </p> <p>A harmonic oscillator is a ubiquitous tool in various disciplines of engineering and physics for sensing and energy transduction. The degrees of freedom, low noise oscillation, and efficient input-output coupling are important metrics when designing sensors and transducers using such oscillators. The ultimate examples of such oscillators are quantum mechanical oscillators coherently transducing information or energy. Atoms are oscillators whose degrees of freedom can be controlled and probed coherently by means of light. Elegant techniques developed during the last few decades have enabled us to use atoms, for example, to build exquisite quantum sensors such as clocks with the precision of <1 second error over the lifetime of the universe, to store and transduce information of various forms and also to develop quantum processors. Similar to atoms, mechanical oscillators can also be controlled ultimately to their single vibrational quanta and be used for similar sensing and transduction applications.</p> <p><br></p> <p>In this thesis, we explore both atomic and mechanical systems and develop a toolbox to build an effective atom-light interface and light-oscillator interface for controlling such atomic and mechanical oscillators and use them in sensing and storage applications. Primarily, we study two disparate platforms: 1) rare-earth ions in solids integrated into photonic chips as a compact and heterogeneous platform and 2) nanoscopic and macroscopic oscillators interfaced with light and magnetic field to isolate them from environmental noise. </p> <p><br></p> <p>Rare earth (RE) ions in crystals have been identified as robust optical centers and promising candidates for quantum communication and transduction applications. Lithium niobate (LN), a novel crystalline host of RE ions, is considered as a viable material for photonic system integration because of its electro-optic and integration capability. This thesis first experimentally reports the activation and characterization of LN crystals implanted with Yb and Er ions and describes their scalable integration with a silicon photonic chip with waveguide and resonator structures. The evanescent coupling of light emitted from Er ions with optical modes of waveguide and microcavity and modified photoluminescence (PL) of Er ions from the integrated on-chip Er:LN-Si-SiN photonic device with quality factor of 104 have been observed at room temperature. This integrated platform can ultimately enable developing quantum memory and provide a path to integrate more photonic components on a single chip for applications in quantum communication and transduction.</p> <p><br></p> <p>Optomechanical systems are also considered as candidates for light storage and sensing. In this thesis, we also present results of the theoretical study of coherent light storage in an array of nanomechanical resonators. The majority of the thesis is focusing on an optomechanical sensing experiment based on levitation. An oscillator well isolated from environmental noise can be used to sense force, inertia, torque, and magnetic field with high sensitivity as the interaction with these quantities can change the amplitude or frequency of the oscillator’s vibration, which can be accurately measured by light. It has been proposed that such levitated macroscopic objects could be used as quantum sensors and transducers at their quantum ground states. They are also proposed as a platform to test fundamental physics such as detecting gravitational waves, observing macroscopic quantum entanglement, verifying the spontaneous collapse models, and searching for dark matter.</p> <p><br></p> <p>In particular, we consider superconducting levitation of macroscopic objects in vacuum whose positions are measured by light. We build an optomechanical platform based on a levitated small high reflective (HR)-coated mirror above a superconductor disk. We use this levitated mirror at ambient conditions to detect the magnetic field with a sensitivity on the order of <em>pT/sqrt(Hz).</em> Moreover, the levitated mirror is used as the end mirror of a Fabry–Pérot cavity to create an optical resonance that could be used to study coherent radiation pressure forces. The platform provides a sensitive tool to measure the various forces exerted on the mirror and it offers the possibility of the coherent optical trapping of macroscopic objects and precision gravity sensing. Moreover, we study the nonlinear dissipation and mode coupling of a levitated HR-coated magnetic mirror above a superconducting disk in vacuum conditions. We observe that by exciting one vibrational mode of the mirror, the vibrational noise of another mode can be significantly suppressed by a factor of 60. We attribute this unique noise suppression mechanism to the mode coupling and nonlinear dissipation caused by the driven magnetic inhomogeneity of the levitated object. Such a suppression mechanism can enable cooling certain modes independent of their detection and position in the spectrum, which may be promising for precision sensing applications.</p>

This research study aims to investigate the capacity of single photons to carry information through polarization and time ordering and proposes a protocol called Beyond Pulse Position Modulation (BPPM) to improve photon-based communication reliability over longer distances with limited power. Such a protocol may be used in any communication scenario where energy efficiency is important, e.g., in satellite communication or where pulse position modulation (PPM) typically is used. The study compares various metrics such as information bits per symbol, photon, and time bin to evaluate the system’s efficiency and conducts a comparative analysis of BPPM, Pulse Position Modulation (PPM), On-Off Keying (OOK), andGeneral protocol’s effectiveness. (The simulations were conducted using the Python programming language with Visual Studio Code IDE.) / Denna forskningsstudie syftar till att undersöka informationskapaciteten hos enstaka fotoner då dessa kodats med avseende på polarisering och tidsordning. Ett nytt protokoll som kallas Beyond Pulse Position Modulation (BPPM) använder felkorrigering för att förbättra kommunikationstillförlitligheten över längre avstånd med begränsad effekt. Ett sådant protokoll kan användas i vilket kommunikationsscenario som helst där energieffektivitet är viktigt, t.ex. vid satellitkommunikation eller där pulspositionsmodulering (PPM) vanligtvis används. Studien jämför olika mätvärden som informationsbitar per symbol, per foton och per tidslucka för att utvärdera systemets effektivitet och genomför en jämförande analys av BPPM, Pulse Position Modulation (PPM), On-Off Keying (OOK) och ett protokoll med fixt antal fotoner per block avseende protokollens effektivitet. (Simuleringarna utfördes med Python-programmeringsspråket med Visual Studio Code IDE.)

In dieser Doktorarbeit werden zwei Konzepte der Quanteninformationsverarbeitung realisiert. Der Quantenschlüsselaustausch ist revolutionär, weil er perfekte Sicherheit gewährleistet. Zahlreiche Quantenkryptografieprotokolle wurden schon untersucht. Zwei Probleme bestehen. Zum einen ist es sehr schwer, die Bedingungen herzustellen, die in den Annahmen für perfekte Sicherheit impliziert sind. Zum anderen sind die Reichweiten auf momentan etwa 200 km begrenzt, aufgrund des abnehmenden Signals gegenüber des konstanten Rauschens. Ein Experiment dieser Doktorarbeit beschäftigt sich mit dem ersten Problem. Insbesondere der übertragene Quantenzustands ist kritisch für die Sicherheit des Verfahrens. Es werden Einzelphotonen von Stickstoff- Fehlstellen-Zentren und zum ersten Mal von Silizium-Fehlstellen-Zentren für einen Quantenschlüsselaustausch mit Hilfe des BB84-Protokolls benutzt. Die Abweichung von idealen Einzelphotonenzuständen sowie deren Bedeutung für die Sicherheit werden analysiert. Die Übertragung von Quantenzuständen via Satellit könnte das Problem der begrenzten Reichweite lösen. Das neue Frequenz-Zeit- Protokoll eignet sich dafür besonders gut. Es wird während dieser Arbeit zum ersten Mal überhaupt implementiert. Umfangreiche Untersuchungen inklusive der Variation wesentlicher experimenteller Parameter geben Aufschluss über die Leistungsfähigkeit und Sicherheit des Protokolls. Außerdem werden elementare Bestandteile eines vollautomatischen Experiments zum Quantenschlüsselaustausch über Glasfasern in der sogenannten Time-bin-Implementierung mit autonomem Sender und Empfänger realisiert. Ein anderes Konzept der Quanteninformationsverarbeitung ist die Herstellung zufälliger Bitfolgen durch den Quantenzufall. Zufällige Bitfolgen haben zahlreiche Anwendungsgebiete in der Kryptografie und der Informatik. Die Realisierung eines Quantenzufallszahlengenerators mit mathematisch beschreibbarer und getesteter Zufälligkeit und hoher Bitrate wird ebenfalls beschrieben. / In this thesis, photonic quantum states are used for experimental realisations of two different concepts of quantum information processing. Quantum key distribution (QKD) is revolutionary because it is the only cryptographic scheme offering unconditional security. Two major problems prevail: Firstly, matching the conditions for unconditional security is challenging, secondly, long distance communication beyond 200 km is very demanding because an increasingly attenuated quantum state starts to fail the competition with constant noise. One experiment accomplished in this thesis is concerned with the first problem. The realisation of the actual quantum state is critical. Single photon states from nitrogen and for the first time also silicon vacancy defect centres are used for a QKD transmission under the BB84 (Bennett and Brassard 1984). The deviation of the used single photon states from the ideal state is thoroughly investigated and the information an eavesdropper obtains due to this deviation is analysed. Transmitting quantum states via satellites is a potential solution to the limited achievable distances in QKD. A novel protocol particularly suited for this is implemented for the first time in this thesis, the frequency-time (FT) protocol. The protocol is thoroughly investigated by varying the experimental parameters over a wide range and by evaluating the impact on the performance and the security. Finally, big steps towards a fully automated fibre-based BB84 QKD experiment in the time-bin implementation with autonomous sender and receiver units are accomplished. Another important concept using quantum mechanical properties as a resource is a quantum random number generator (QRNG). Random numbers are used for various applications in computing and cryptography. A QRNG supplying bits with high and quantifiable randomness at a record-breaking rate is reported and the statistical properties of the random output is thoroughly tested.

Depuis l’avènement de la mécanique quantique, l’étude des interactions lumière-matière à l’échelle quantique s’est énormément développée en tant que domaine de recherche. Par exemple, grâce à des prédictions théoriques surprenantes, des interactions d’une force sans précédant ont été démontrées entre de la matière et des radiations terahertz et microonde. Ces résultats correspondent à un régime dit de couplage ultrafort, atteint lorsque l’énergie d’interaction devient comparable aux énergies propres de la lumière et de la matière lorsque celles-ci n’interagissent pas. Dans ce régime, des propriétés intrigantes peuvent subsister telles que la présence de photons même lors qu’aucune énergie n’est fournie au système. Cependant, ces photons ne peuvent, a priori, être émis du système vers l’extérieur de manière à pouvoir être mesurés et par conséquent démontrer ces propriétés.Dans cette thèse, nous avons étudié ces propriétés intrigantes et proposé plusieurs moyens permettant d’y accéder expérimentalement. Nous nous sommes appuyés sur plusieurs plate-formes physiques qui sont de bon candidats pour ces études, et pour chacun de ces systèmes nous avons mis au point un modèle mettant en évidence ces propriétés d’une manière ou d’une autre. De cette façon, nous avons exploré le lien entre le régime de couplage ultrafort et la génération d’états non-classiques de la lumière. En outre, dans une étude plus ouverte nous avons montré que les interactions lumière- matière dans l’une de ces plate-formes peuvent être utilisés pour concevoir des protocols de communication quantique. En plus de montrer un intérêt fondamental, nos résultats s’inscrivent dans une optique de développement d’applications pour les technologies quantiques en utilisant différents systèmes expérimentaux disponibles actuellement / Since the advent of quantum mechanics, the study of light-matter interactions at thequantum level has been greatly developed as a research field. For instance, surprisingtheoretical predictions gave rise to experiments with unprecedented interactionstrengths between matter, and terahertz and microwave radiations. These results correspondto the so-called ultrastrong coupling regime, that is reached when the interactionenergy becomes comparable to the typical energies of the light and matter when they arenot interacting. In this regime, intriguing properties can be found such as the presenceof photons even when no energy is given to the system. However, these photons cannot,a priori, be emitted from the system to the outside world in order to be measured andtherefore demonstrate these properties. In this thesis, we studied these intriguing properties and proposed several means toaccess them experimentally. We relied on several physical platforms which are goodcandidates for such studies, and for each one of these systems we devised a model thatcan evidence these properties one way or another. By doing so, we explored the linkbetween the ultrastrong coupling regime and the generation of nonclassical states oflight. Additionally, as an outlook we showed that the light-matter interactions in oneof these platforms could be used to design quantum communication protocols. On topof showing fundamental interest, our results fit in the line of developing applications forquantum technologies using different experimentally available systems.

Ce manuscrit expose le développement de ressources fondamentales pour les communications quantiques à longues distances basées sur les technologies des fibres optiques télécoms et des guides d'onde optiques non linéaires. Après une introduction générale sur les communications quantiques, cette thèse est structurée en trois parties principales. La première partie illustre le développement de deux sources pour la génération de paires de photons intriqués en polarisation et émis à une longueur d'onde télécom via conversion paramétrique spontanée (SPDC) dans des guides d'ondes non linéaires intégrés sur niobate de lithium périodiquement polarisé. Les sources s'appuient respectivement sur un accord de phase de type-II et un accord de phase de type-0 et sur des solutions de filtrage et d'interférométrie mises en place après le cristal non linéaire. Dans la seconde partie, sont discutées les réalisations de deux sources de photons uniques annoncés haut débit. La première s'appuie sur le multiplexage spatial sur puce de photons uniques annoncés. La seconde exploite le multiplexage temporel passif grâce à l'utilisation d'un laser télécom cadencé à 10 GHz. Enfin, nous présentons une approche tout-optique visant la synchronisation de sources distantes de paires de photons intriqués, agencées selon une architecture de type relais quantique distribué. Cette technique innovante repose sur l'utilisation d'un laser télécom impulsionnel en tant qu'horloge optique de référence. Cette horloge autorise la synchronisation de l'émission de paires de photons dans la bande C des télécoms en deux lieux distants. Des résultats préliminaires d'interférence à deux photons sont montrés et discutés. / This manuscript reports the development of fundamental resources for long distance quantum communication based on fibre telecom technology and non-linear optical waveguides. After a general introduction on quantum communication, the thesis is structured along three parts. The first part illustrates the development of two photonic polarization entanglement sources suitable for quantum networking. Both sources generate paired photons at telecom wavelength via spontaneous parametric down conversion (SPDC) in periodically poled lithium niobate waveguides (PPLN/W). They rely on type-II and type 0 phase matching, respectively. In the second part, two high quality heralded single photon sources are highlighted. The first one relies on on-chip generation and spatial multiplexing of heralded single photons towards achieving higher bit rates. The second one takes advantage of passive temporal multiplexing of a single SPDC process. Finally, an all-optical approach towards efficient and accurate synchronization of remote entangled photon pair sources within quantum relay architecture over long distances is presented. This particular synchronization technique highlights the use of ultra-fast picosecond pulsed telecom fiber laser, operating at 2.5 GHz repetition rate, acting as a master optical clock, enabling to accurately synchronize the emission of photon pairs in the telecom C-band of wavelengths at two remote locations. This innovative approach is applied for synchronizing two remote PLLN/W based sources operated at 2.5 GHz, and preliminary results on two-photon interference obtained with single photons coming from each source are shown and discussed.

With the growing need for secure and high-capacity communications, innovative solutions are needed to meet the demands of tomorrow. One such innovation is to make use of the still unutilized spatial dimension of light in communications, which has promising applications in both enabling higher data traffic as well as the security protocols of the future in quantum communications. The perhaps most promising way of realizing this technology is through spatial division multiplexing (SDM) in optical fibers. There are many challenges and open questions in implementing this, such as how perturbations to the signal should be kept under control and which type of optical fiber to use. Consequently, this thesis focuses on the implementation of SDM in few-mode fibers where the perturbation effects on the spatial distribution have been investigated. Following this investigation, an implementation of adaptive spatial mode control using a motorized polarization controller has been implemented. The mode control has been done with the focus on having relevance for quantum technology applications such as Quantum Key Distribution (QKD) and quantum random number generation (QRNG) but also for spatial division multiplexing (SDM) for general communications. For this reason, two evaluation metrics have been optimized for: extinction ratio and equal amplitude. The control algorithm used is an adaptation of the optimization algorithm Stochastic Parallel Gradient Descent (SPGD). Control has been achieved in stabilizing the extinction ratio of LP11a and LP11b over 12 hours with an average extinction ratio of 98 %. Additionally, equal amplitude between LP11a and LP11b has been achieved over 1 hour with an average relative difference of 0.42 % and 0.45 %. Out of the perturbation effects investigated; temperature caused large disturbances to the signal which later is corrected for with the implemented algorithm.

This master’s thesis explores a space-division-multiplexing (SDM) platform fora delayed-choice experiment. SDM is a multiplexing technique for optical datatransmission that employs spatial modes in a multi- or few-mode fiber to increasethe transmission capacity. The spatial modes can thus be used as separate channels. SDM have shown great potential for quantum information systems, making it intriguing to investigate its broad applications by examining its use in adelayed-choice experiment. The delayed-choice experiment was proposed by J.A.Wheeler in 1978 explored the particle- and wave-like behavior of quantum particles and observe if the particle knows in advance if it should propagate as a waveor a particle through the experimental platform. Hence, it was suggested thatthe experiment should be changed after the particle entered the experimentalplatform. The experiment has afterward been realized in many different constellations but previous wave-particle delayed-choice experiments have not beendemonstrated with SDM nor with an all in fiber platform. The research involved modeling and constructing a SDM fiber-optic platform,only utilizing commercially available fiber optical telecommunication components. The platform was constructed with photonic lanterns, used as spatial division multiplexer and demultiplexer, and a two-input fiber Sagnac Interferometer,as a removable beam splitter. The system was tested with classical light but without difficulties, the platform could move to the quantum domain for performingthe delayed-choice experiment with single photons on the platform. The thesis resulted in a SDM platform with good performance for future measurement of bothparticle- and wave-like behavior of photons in a delayed-choice experiment.