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L’interaction entre la lumière et un nuage atomique désordonné et dilué donne lieu à des effets de cohérence collectifs dus à l’interaction des dipôles induits par le biais du champ lumineux. L'influence de tels effets de cohérence en diffusion multiple suscite beaucoup d’intérêt. Nous présentons deux modèles théoriques qui décrivent ces effets de cohérence dans différents régimes de diffusion. Le traitement du processus à travers un développement en ordres successifs de diffusion nous permet de mettre en évidence la contribution du premier et second ordres ainsi que l'interférence entre les champs diffusés qui en résultent. Dans le régime de diffusion multiple, nous montrons que la force de pression de radiation n'est pas une bonne observable pour sonder les effets coopératifs. Par ailleurs, nous mettons en évidence une surprenante cohérence de phase qui suggère une persistance des effets coopératifs en diffusion multiple. Cela pourrait être le résultat d'une synchronisation entre les dipôles atomiques couplés. Dans une deuxième partie, nous étudions l'effet d'une déformation de l'algèbre de Weyl-Heisenberg sur l'intrication des états cohérents. Une telle approche permet de décrire la décohérence dans des systèmes quantiques intriqués soumis à une perturbation extérieure. Nous construisons des états cohérents déformés intriqués et nous calculons leur concurrence. Nous montrons que la déformation de l'algèbre pourrait avoir un impact non négligeable sur la qualité de l'intrication bipartie des états cohérents, si cette dernière n'est pas maximale. / This work is devoted on the one hand to the investigation of coherence effects in multiple scattering of light by an atomic cloud and on the other hand to the entanglement of a deformed coherent state. The interaction between light and a dilute disordered atomic cloud gives rise to collective coherent effects due to the interaction of the induced dipoles via the external field. The behavior of such coherent effects in multiple scattering regime is an important question for various physical systems. We present two theoretical models describing those coherence effects in different scattering regimes. The scattering order expansion treatment of light scattering allows us to highlight the role of the first and second scattering orders as well as the interference between the resulting scattered fields. In the multiple scattering regime we show that the radiation pressure force is not a good observable to probe cooperative effects. Furthermore, we discover a surprising phase coherence that hints that collective effects may survive in multiple scattering regime. That could be due to a synchronization between the induced atomic dipoles. In a second part, we study the effect of an algebra deformation on entangled coherent states. Such an approach allows to describe decoherence in perturbed entangled quantum systems. We construct a deformed coherent state and calculate their concurrence. We show that algebra deformation could have a non negligible impact on bipartite entangled coherent states if those later are not maximally entangled.

Orientador: Antonio Vidiella Barranco / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-04T01:43:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Soares_AntonioAugusto_M.pdf: 2924266 bytes, checksum: 4d4a9d494dd74748d57e8bd6dbe14108 (MD5) Previous issue date: 2002 / Resumo: Não informado / Abstract: Not informed / Mestrado / Física / Mestre em Física

Un état quantique de lumière est caractérisé par la statistique de son nombre de photons. Lorsque qu'un champ électromagnétique se propage dans un milieu, ses statistiques peuvent être modifiées, notamment en présence de phénomènes cohérents. Cette thèse s'intéresse expérimentalement et théoriquement à la propagation d'états quantiques de lumière dans une vapeur d'hélium métastable à température ambiante. Dans un premier temps, on étudie la propagation de lumière en présence d'oscillations cohérentes de populations ultrafines et montre qu'elles permettent de stocker efficacement une quadrature spécifique d'un champ lumineux. Néanmoins, ce protocole ne permet pas de stocker les deux quadratures d'un mode du champ électromagnétique, et les conditions de propagation dans le milieu dégradent leurs propriétés statistiques, empêchant son utilisation pour des applications quantiques. Ce travail montre ensuite qu'il est possible de générer des états comprimés à deux modes dans ce même système, par mélange à 4 ondes. Les états fortement comprimés (9 dB) peuvent être générés en exploitant les fortes non-linéarités induites par piégeage cohérent de population via une transition optique, ainsi que par la proximité d'une autre transition optique voisine. Enfin, une dernière partie s'intéresse au transfert de bruit par effet Faraday entre les fluctuations de spin atomique du milieu et les fluctuations de polarisation d'un champ lumineux. L'étude de ces fluctuations par spectroscopie de bruit de spin a mis en évidence des comportements originaux qui pourraient par la suite être utilisés dans d'autres milieux. / A quantum state of light is characterized by its statistics of number of photons. These statistics can change in the presence of coherent phenomena. This PhD focuses both experimentally and theoretically on the propagation of quantum states within a room temperature vapor of metastable helium. First, we show that ultranarrow coherent population oscillations allow to efficiently store a specific quadrature of a light wave. Nevertheless, this protocol cannot be use to store the two quadratures of a light field. Indeed, the propagation conditions deteriorates its statistical properties, forbidding its use for quantum application. Secondly, we show that it is possible to generate twomode squeezed states of light in that system. High amplification can be achieved (9 dB), exploiting the strong nonlinearities enabled by coherent population trapping of a transition, and because of the energy level structure. Finally, we study atomic spin noise transfer to light polarization noise via Faraday effect. These fluctuations, probed by spin noise spectroscopy, show original behaviors that may be useful in another systems.

Les nanocristaux colloïdaux sont des fluorophores semi-conducteurs de taille nanométrique. Fluorescents à température ambiante et synthétisés par voie chimique, ces nanoémetteurs représentent d'excellents candidats pour divers domaines d'application tels que l'éclairage, le marquage biologique ou le photovoltaïque.Mon travail expérimental, s'inscrit dans le développement de ces nanoémetteurs via deux approches différentes : leur couplage avec des nanostructures plasmoniques à 4K et la mise en place de régime d'émission collective.Dans un premier temps, nous avons étudié le couplage de nancoristaux individuels avec des films d'or plan dans le but de réduire les pertes par effet Joule. Tout d'abord, nous nous sommes intéressés à l'influence de la température sur ce couplage. A partir d'expériences de photoluminescence et de simulations numériques effectuées par Gérard Colas des Francs du LCIB, nous avons pu mesurer et simuler une forte diminuation de l'accélération du temps caractéristique d'émission des nanocristaux lorsque la température passe de 300K à 4K. Cette diminution est directement liée à une importante diminution des pertes ohmiques des couches d'or. L'efficacité quantique des nanocristaux est ainsi augementée d'un facteur 3. Ensuite, nous avons étudié l'influence de la cristallinité de l'or sur ce couplage. A nouveau une forte réduction de l'accélération de l'émission des nanocristaux a été mesurée sur or cristallin en comparaison avec des couches d'or amorphe. Ces mesures laissent de nouveau présager une réduction des pertes par effet Joule ainsi qu'une augmentation d'au moins un facteur deux de l'efficacité quantique des nanocristaux.Dans un second temps, nous avons effectué les premières caractérisations d'agrégats de nanocristaux enrobés dans une coquille de silice. A température ambiante, nous avons mis en évidence la présence d'interaction de type FRET entre les nanocristaux émettant dans le bleu et les nanocristaux émettant dans le rouge. Cette interaction permet ainsi une accélération de l'émission globale des agrégats. A 4K, nous avons observé une modification de la dynamique d'émission des agrégats avec l'apparition de deux échelles de temps différentes. Pour les temps courts, la dynamique d'émission est accélérée et est régie par la recombinaison de l'exciton. Pour les temps longs, la dynamique d'émission est régie par une loi de puissance traduisant ainsi l'apparition de temps caractéristiques d'émission extrêmement longs. / Colloidal semiconductor nanocrystals are fluorescent semiconductors with a nanometric size. Bright at room temperature and chemically synthesized, nanocrystals are interesting candidates for differents applications as lighting, biological labeling or photovoltaic.My experimental work, is part of the development of these emitters by two differents approaches : coupling with plasmonic structures at 4,K and formation of collective emission.First, we studied the coupling between single nanocrystals and a flat gold film in order to decrease the optical losses. To begin we studied the influence of the temperature. With some photoluminescence measurements and some simulations, we show significant decrease of the enhancement of the photoluminescence decay rate at 4,K. This reduction is linked to the decrease of optical losses. Then, we studied the influence of crystallinity of gold. We show again an important reduction of enhancement of the photoluminescence decay rate with crystalline gold compared to amorphous layer.Second, we investigated the optical properties of compact nanocrystal clusters encapsulated in a silica shell. At room temperature, we observed an enhancement of the photoluminescence decay rate through Förster resonance energy transfer (FRET). At 4K, we measured an important variation of the emission dynamic with emergence of two times scales. At short time scale, emission is accelerated and governed by the exciton recombination. At long time scale, the decay is governed by power law showing the emergence of long-lived states.

We experimentally demonstrate time-frequency entangled photons with comb-like spectra via both bulk optical crystals and on-chip microring resonators and explore their characterization in both time and frequency domain using quantum state manipulation techniques. Our characterization of these quantum frequency combs involves the use of unbalanced Mach-Zehnder interferometers and electro-optic modulators for manipulation in time- and frequency-domain, respectively. By creating indistinguishable superposition states using these techniques, we are able to interfere states from various time- and frequency-bins, consequently proving time- and frequency-bin en-tanglement. Furthermore, our time-domain manipulations reveal pair-wise continuous time-energy entanglement that spans multiple frequency bins, while our utilization of electro-optic modulators to verify high-dimensional frequency-bin entanglement constitutes the proof of this phenomenon for a spontaneous four-wave mixing pro-cess. By doing so, we show the potential of these quantum frequency combs for high-dimensional quantum computing with frequency-encoded quantum states, as well as fully secure quantum communications via quantum key distribution by per-forming a nonlocal dispersion cancellation experiment. To show the potential of our entangled photons source for encoding quantum information in the frequency domain, we carry out a frequency-domain Hong-Ou-Mandel interference experiment by implementing a frequency beam splitter. Lastly, we use the high-dimensionality of our time-frequency entangled source in both time and frequency domain to implement deterministic high-dimensional controlled quantum gates, with the quantum information encoded in both the time and frequency degrees of freedom of a single photon. This novel demonstration of deterministic high-dimensional quantum gates paves the way for scalable optical quantum computation, as quantum circuits can be implemented with fewer resources and high success probability using this scheme.<div><br></div><div> </div>

Cette thèse s'articule autour de l'étude de la cohérence de la lumière produite à partir de sources de paires de photons intriqués et de micro-lasers. Nous avons produit et manipulé des états photoniques intriqués, et conduit des investigations à la fois fondamentales et appliquées. Les deux études menées sur les aspects fondamentaux de la non localité avaient pour but de relaxer partiellement deux contraintes sur lesquelles s'appuie l'inégalité de Bell standard en vue d'applications à la cryptographie quantique. Ainsi, en collaboration avec l'Université de Genève, nous avons redéfini la notion de localité en prenant en compte les influences sur les mesures de corrélations des choix des configurations expérimentales et d'une efficacité globale de détection limitée. Cela a permis de définir des inégalités de Bell généralisées et les violations expérimentales qui en découlent permettent d'attester de la non localité des états quantiques observés. Nous avons aussi étudié et mis en place une solution expérimentale autorisant l'émission de photons intriqués dans des pairs de canaux télécoms pour la cryptographie quantique. Nous avons montré la préservation de l'intrication sur 150 km et obtenu des débits records en comparaison avec les réalisations similaires. Enfin, nous avons étudié les propriétés de l’émission de lasers à semi-conducteurs aux dimensions réduites. L’émission de ces composants microscopiques s'accompagne de grandes fluctuations en intensité lorsque ceux-ci sont pompés en-dessous du seuil laser. Cette étude a permis de mieux comprendre comment se construit la cohérence laser dans ces systèmes. / In this thesis we study the coherence of light emitted by entangled photon-pair sources and micro-lasers. We have generated an manipulated entangled photonic states and investigated both fundamental (non locality) and applied (quantum cryptography) research directions. The objective of two fundamental studies on non locality was to partially relax the strong assumptions on which standard Bell tests rely. To this end, we redefined, in collaboration with the University of Geneva, the formalism of locality taking into account the influence, on correlation measurements, of the freedom of choice (in the basis settings) and of the limitation of the overall detection efficiency. Both assumptions allow devising generalized Bell inequalities whose experimental violations indicate that we can still attest for non locality for the observed states. In addition, we have studied and realized an experimental setup allowing to distribute entangled photon pairs in paired telecom channels for high bit rate quantum cryptography. We have shown that entanglement is preserved over a distance of 150 km with record rates for similar realizations, by mimicking classical network solutions exploiting, in an optimal fashion, the capacity of an optical fiber link via dense spectral multiplexing. Finally, we have studied the properties of light emitted by semiconductor lasers showing reduced dimensionality. This micro-lasers actually provide output light under high intensity fluctuations when they are pumped below the threshold. Their study allowed to refine our understanding on how the coherence builds up in these systems as the cavity is filled with photons.

Le déploiement de réseaux de communication quantique représente un défi auquel cette thèse apporte des solutions originales. Deux dispositifs très performants sont construits uniquement autour de composants standards de l'optique intégrée et des télécommunications optiques. Le premier correspond à un schéma de synchronisation tout optique sur longue distance à très haute cadence et de précision inégalée pour la communication sécurisée par cryptographie quantique. Le montage expérimental repose sur une configuration de relais quantique mettant en œuvre deux sources indépendantes de paires de photons intriqués dont il faut synchroniser les temps d'émissions. L’idée principale s’appuie sur l’utilisation d’un unique laser télécom picoseconde cadencé à 2.5 GHz afin de générer l’horloge et de pouvoir la distribuer efficacement aux deux sources. Nous démontrons la synchronisation de notre lien relais pour une distance effective séparant les sources de plus de 100 km. Le second dispositif correspond quant à lui à la réalisation d'une expérience de compression à une longueur d'onde des télécommunications réalisée, pour la première fois, de manière entièrement guidée. La lumière comprimée étant une ressource fondamentale dans bon nombre de protocoles d'information quantique, la réalisation de systèmes expérimentaux facilement reconfigurables et compatibles avec les réseaux télécoms fibrés existants représente une étape cruciale en vue du déploiement de dispositifs de communication quantique en régime de variables continues. Enfin, un traitement quantique des effets de gigue temporelle dans les détecteurs de photons 0N/0FF est proposé. Malgré l'importance des systèmes de détection dans les technologies quantiques photoniques émergentes, aucune modélisation quantique de leurs effets de gigue temporelle n'avait été, à notre connaissance, développé jusqu'à présent. / This thesis presents solutions to the challenges of developing quantum communication networks. Two powerful experimental devices have been set up relying only on standard telecom and integrated optical components. The first device corresponds to an all-optical synchronization scheme allowing, with an unprecedented accuracy, quantum key distribution at a high rate over long distances. The experimental scheme relies on two independent entangled photon pair sources that have to be synchronized in their emission time. Our approach is based on using a 2.5 GHz picosecond telecom laser as a master clock to efficiently synchronize the different sources. We demonstrate the synchronization for an effective distance of 100 km between sources. With our second device, we perform a squeezing experiment at telecom wavelengths and this for the first time in a fully guided-wave approach. Squeezed light being a fundamental resource for several quantum information protocols, developing plug-and-play experimental devices that are compatible with already existing telecom fiber networks is of first interest in the perspective of future quantum networks. Finally, we propose a quantum description of timing jitter effects in 0N/0FF detectors. Despite the importance of detection systems in emerging photonic quantum technologies, no quantum description of their timing jitter effects has been proposed so far.

Rare-earth ions in crystalline hosts have been identified as attractive media for quantum optical applications where record-high coherence times, quantum storage efficiency in solids, and quantum storage bandwidth have been demonstrated. Among rare-earth ions, Erbium uniquely possesses optical transitions at 1.5 micrometer region, making it suitable for integration with fiber telecommunication and silicon photonics. However, the intra-4f optical transitions are parity forbidden for rare-earth ions. Although, transitions are observed due to the interaction of the 4f valence electrons' energy levels with crystal fields or the lattice vibrations, the photon emission rate is prolonged for these ions. For example, Er³⁺ excited state lifetime for 1530nm transition is around 10 ms, which is about a million times longer than the excited state lifetime of alkali atoms like cesium and rubidium. There have been some recent works showing enhanced emission rate of erbium ions by about 10³ times by building a nano-photonic cavity to reach high Purcell factors. Our alternative approach to solving this problem is to use an ensemble of ions instead of a single ion to induce collective interactions in a suitable platform. In one experiment, we fabricated a SiN micro-ring resonator and implanted 10⁴ isotopically pure ¹⁶⁸Er ions in narrow segments located precisely in solids. The segments are typically separated by 0.962nm corresponding to multiples of the wavelength of Er emission at 1520nm. And we showed that when the lattice of ions is commensurate with the wavelength of the light, the scattering loss caused by the other ions is reduced. We have demonstrated for the first time that how designing atomic geometries in a solid-state photonic system can reduce the radiative loss due to spontaneous emission of ions into other photonic channels. This phenomenon is analogous to the Borrmann effect seen in x-ray transmissions of crystals at the Bragg angle of incidence. We have also shown how the interference between the optical cavity mode and atomic Bragg mode generates Fano-type resonance features. We performed these measurements using erbium ions in the SiN host. The limitations such as low coherence time and large inhomogeneous broadening in this platform prohibit observing cooperative and quantum behavior. To improve the optical property of erbium ions and study other cooperative effects, we engineered an effective ion array in an Er-doped Yttrium Orthosilicate crystal which can exhibit higher coherence time and narrower inhomogeneous broadening compared to SiN. So, we used the spectral hole burning technique to make an atomic grating in randomly distributed Er ions inside YSO. Two counter-propagating pump pulses created a standing wave inside the crystal, which enabled the creation of spectral holes only near the antinode locations. At the same time, atoms near nodes remain in the ground state. Such atomic population grating behaved like an atomic array. We have seen coherent backscattering up to 20% of the incident probe from this atomic grating resembling a mirror. To increase the reflection efficiency, we tried to increase the ion concentration in the YSO crystal. But, at high concentrations, the dipole-dipole interaction increases the broadening and decoherence rates of the ions. To increase the optical density without increasing the ion concentration, we fabricated long waveguides in SiN and LiNbO₃ with rare-earth ions implanted inside.As a future direction, we are trying to increase the reflection efficiency from the atomic grating to the point where we can see atomic mirror-assisted light trapping. We are also trying to see long-range co-operative behavior from rare-earth ion-doped crystals and rare-earth ions implanted inside long waveguides. This can open possibilities of new quantum photonic device engineering for applications in scalable and multiplexed quantum networks.

Nous présentons deux expériences de plasmonique quantique, c’est-à-dire des expériencesd’optique quantique ayant pour support des plasmons de surface. Dans la première expérience, nous montrons la dualité onde-corpuscule d’un plasmon de surface unique (1) en utilisant la démarche de l’article de Philippe Grangier, Gérard Roger et Alain Aspect (2) sur les interférences à un photon unique. Dans la deuxième expérience, nous mettons en évidence les propriétés d’intrication entre un photon et un plasmon de surface. Nous produisons des photons intriqués en polarisation et les séparons spatialement. / We present two quantum plasmonics experiments, namely quantum optics on surface plasmons. In the first experiment, we show the wave-particle duality of a single surface plasmon along the same lines as the single-photon interferences experiment of Philippe Grangier, Gérard Roger and Alain Aspect (2). In the second experiment, we bring out between a photon and a surface plasmon. We generate paires of polarization entangled photons and separate the pair photons spatially. A former photon is send to a semi-plasmonic Mach-Zehnder interferometer whose first beam splitter is a polarization beam splitter whose output are converted to plasmons and on a plasmonic beamsplitter.