The prospect of a universal quantum computer is alluring, yet formidable. Smaller scale quantum information processing, however, has been demonstrated. Quantum networks, interlinking flying and stationary qubits, and linear optical quantum computing (LOQC) are both good candidates for scaling up such computations. A strongly coupled atom-cavity system is a promising approach for applications in these fields, both as a node in a quantum network, and as a source of photons for LOQC. This thesis demonstrates the versatile capabilities of an atom-cavity system comprising a single ⁸⁷Rb atom within a macroscopic high-finesse Fabry-P&eacute;rot cavity. It operates intermittently for periods of up to 100 &mu;s, with single-photon repetition rates of 1 MHz and an intra-cavity production efficiency of up to 85%. Exploiting the long coherence time of around 500 ns, the photons are subdivided into d time bins, with arbitrary amplitudes and phases, thus encoding arbitrary qudits. High fidelity quantum logic is shown, operating a controlled-NOT gate integrated into a photonic chip with a classical fidelity of 95.9^+1.4<sub style='position: relative; left: -1.6em;'>-1.7</sub> %. Additionally, the generation of entanglement is verified and non-classical correlations between events separated by periods exceeding the travel time across the chip by three orders of magnitude are observed. Photonic quantum simulation is performed, using temporally encoded qudits to mimic the correlation statistics of both fermions and anyons, in addition to bosons. Finally measurement-based quantum feedback is demonstrated and used to actively control the routing of temporal qubits.

This thesis considers two types of applications of quantum feedback control; feedback creation of nonclassical states of light, and controlling nonclassical properties of an ensemble of atoms. An electro-optical feedback loop will create an in-loop field with nonclassical photon statistics similar to squeezed light, resulting in fluorescence line-narrowing of a two-level atom coupled to such light. We extend this theory to study a three-level atom coupled to broadband squashed light, and confirm the two-level atom line-narrowing using a more realistic non-Markovian description of the feedback loop. The second type of application utilizes continuous QND measurement of atomic ensembles. If we measure the collective spin, then the system experiences conditional spin squeezing dependent on the measurement results. We show that feedback based on these results can continuously drive the system into the same conditioned state, resulting in deterministically reproducible spin squeezing. If we measure the atom number fluctuations of a BEC, then, due to the nonlinearity of atomic self interactions, this is also information about phase fluctuations. We show that feedback based on this information can greatly reduce the collisional broadening of the linewidth of an atom laser out-coupled from the condensate.

Cette thèse s'intéresse au problème de préparation et de stabilisation de systèmes quantiques. Nous considérons des modèles correspondant à des expériences actuelles en électrodynamique quantique en cavité, circuits Josephson, et de contrôle quantique cohérent par laser femtoseconde. Nous posons les problèmes dans le contexte de la théorie du contrôle et nous proposons des lois de commande qui préparent ou stabilisent des états cibles. En particulier, nous nous intéressons à des états cibles qui n'ont pas d'analogue classique: des états superpositions et intriqués. De plus, nous proposons une commande pour la stabilisation d'un sous-espace de l'espace des états, contribuant ainsi au domaine de la correction d'erreur quantique. Ces résultats ont été obtenu en étroite collaboration avec des expérimentateurs. Des mesures expérimentales préliminaires sont en bon accord avec certaines prédictions théoriques de cette thèse. / This thesis tackles the problem of preparing and stabilizing highly non classical states of quantum systems. We consider specific models based on current experiments in cavity quantum electrodynamics, Josephson circuits and ultra-fast coherent quantum control. The problem is posed in the framework of control theory where we search for a control law which prepares or stabilizes a desired target state.Of particular interest to us are target states with no classical analog: superposition and entangled states. More generally, we propose a scheme for the stabilization of a manifold of quantum states, thus introducing some new ideas for autonomous quantum error correction in a cavity. Close collaborations with experimentalists helped us in the design of control protocols which are readily employable in the laboratory. Experimental demonstrations are currently being implemented and preliminary measurements are in good agreement with the theory introduced in this thesis.

Ce mémoire de thèse étudie diverses méthodes d'amélioration des interféromètres atomiques. Dans la première partie du manuscrit, nous analysons comment une détection non-destructive, au sens où elle préserve la cohérence entre les états internes de l'ensemble atomique, permet d'améliorer la sensibilité des interféromètres. Nous montrons tout d'abord, grâce à une étude théorique, que la projection du vecteur d'onde engendrée par la mesure permet de préparer des états comprimés de spin. Nous présentons ensuite la mise en œuvre de cette méthode à l'aide d'une détection reposant sur la spectroscopie par modulation de fréquence. Finalement, nous exposons quelques premières applications de cette détection non-destructive, plus précisément nous présentons la réalisation du rétroaction quantique qui protège l'état atomique contre la décohérence induite par un basculement du spin collectif, nous montrons aussi comment réaliser une boucle à verrouillage de phase où les atomes servent de référence de phase. Dans la seconde partie du manuscrit, nous présentons la réalisation tout-optique d'un condensat de Bose-Einstein dans une cavité de haute finesse, exploitant les technologies développées pour les télécommunications optiques. Nous commençons par une analyse du résonateur et des méthodes d'asservissement, nous introduisons notamment une méthode d'asservissement originale exploitant la modulation serrodyne. Enfin, nous montrons comment un condensat est obtenu par évaporation dans le mode optique de la cavité. / In this thesis, we study several methods to improve atom interferometers. In the first part of the manuscript, we analyze how a nondestructive detection, that preserves the coherence between the internal degrees of freedom in an atomic ensemble, can be used to increase the sensitivity of interferometers. We first theoretically show how the projection of the wave-function induced by the measurement prepares spin-squeezed states. We then present the implementation of this method with a detection based on the frequency modulation spectroscopy. Finally, some first applications are described, more explicitly we show how to implement a quantum feedback that preserve the atomic state against the decoherence induced by a random collective flip, we also introduce a phase-locked loop where the atomic sample is used as the phase reference. In the second part of the manuscript, we present the all-optical realization of a Bose-Einstein condensate in a high-finesse cavity using a laser system based on standard telecoms technologies. We first describe the resonator and the frequency lock of the laser on the resonance, in particular, we introduce a new stabilization method based of the serrodyne modulation. Finally, we show how the condensate is obtained from the evaporation in the cavity mode.

Ces dernières années, les progrès réalisés dans le contrôle de l'interaction lumière-matière au niveau quantique ont conduit à de nombreuses avancées en optique quantique, en particulier dans l'étude de phénomènes quantiques fondamentaux, dans la conception de systèmes quantiques artificiels et dans les applications en information quantique. Il a notamment été possible d'augmenter considérablement l'intensité de l'interaction lumière-matière et de contrôler le couplage de systèmes quantiques à leur environnement, afin d'obtenir des états non conventionnels et fortement non classiques. Cependant, pour exploiter ces états quantiques en vue d'applications technologiques, il est crucial de pouvoir mesurer et contrôler ces systèmes avec précision. Dans ce contexte, ce travail de thèse est consacré à l'étude de nouveaux protocoles pour la mesure et le contrôle de systèmes quantiques dans lesquels des fortes interactions et des symétries particuliers conduisent à la génération d'états fortement non classiques. Nous nous intéressons dans un premier temps au régime de couplage ultra-fort de l'électrodynamique quantique en cavité (et de circuit). Plus précisément, l'état de fondamental n'est plus le vide standard, car il devient énergiquement favorable qu'il contienne des photons.Dans ce régime on peut même obtenir des chat de Schrödinger comme état fondamental.En revanche, pour assurer la conservation de l'énergie, les photons contenus dans ce vide exotique sont liés à la cavité et ne peuvent pas s'échapper dans l'environnement. Cela signifie qu'ils ne peuvent être mesurés par simple photodétection. Nous proposons dans ce travail un protocole spécialement conçu pour surmonter cette difficulté. Nous montrons qu'il est possible de déduire les propriétés photoniques de l'état fondamental à partir du déplacement de Lamb d'un système à deux niveaux auxiliaire.Les résonateurs optiques à paires de photons constituent une autre classe de systèmes dans lesquels la symétrie de parité conduit à des états quantiques non conventionnels. Grâce à "l'ingénierie de réservoir", il est aujourd'hui possible de contrôler l'interaction d'un système avec son environnement, de façon à le stabiliser dans des états quantiques particulièrement intéressants. En particulier, quand un résonateur (une cavité optique) est couplé à l'environnement par échange de paires de photons, il est possible de créer de chats de Schrödinger optiques dans la dynamique transitoire du système. Les corrélations quantiques de ces états sont par contre rapidement perdues en raison de la présence inévitable de dissipation à un photon. Protéger le système contre cette perturbation est le but du protocole de feedback basé sur la parité que nous présentons dans cette thèse / In recent years, the field of quantum optics has thrived thanks to the possibility of controlling light-matter interaction at the quantum level.This is relevant for the study of fundamental quantum phenomena, the generation of artificial quantum systems, and for quantum information applications.In particular, it has been possible to considerably increase the intensity of light-matter interaction and to shape the coupling of quantum systems to the environment, so to realise unconventional and highly nonclassical states.However, in order to exploit these quantum states for technological applications, the question of how to measure and control these systems is crucial.Our work is focused on proposing and exploring new protocols for the measurement and the control of quantum systems, in which strong interactions and peculiar symmetries lead to the generation of highly nonclassical states.The first situation that we consider is the ultrastrong coupling regime in cavity (circuit) quantum electrodynamics.In this regime, it becomes energetically favourable to have photons and atomic excitations in the ground state, that is no more represented by the standard vacuum.In particular, in case of parity symmetry, the ground state is given by a light-matter Schrödinger cat state.However, according to energy conservation, the photons contained in these exotic vacua are bound to the cavity, and cannot be emitted into the environment.This means that we can not explore and control them by simple photodetection.In our work we propose a protocol that is especially designed to overcome this issue.We show that we can infer the photonic properties of the ground state from the Lamb shift of an ancillary two-level system.Another class of systems in which the fundamental parity symmetry leads to very unconventional quantum states is given by two-photon driven-dissipative resonators.Thanks to the reservoir engineering, it is today possible to shape the interaction with the environment to stabilize the system in particularly interesting quantum states.When a resonator (an optical cavity) exchanges with the environment by pairs of photons, it has been possible to observe the presence of optical Schrödinger cat states in the transient dynamics of the system.However, the quantum correlations of these states quickly decays due to the unavoidable presence of one-photon dissipation.Protecting the system against this perturbation is the goal of the parity triggered feedback protocol that we present in this thesis