In dieser Arbeit wird das Stickstoff-Fehlstellenzentrum (NV Zentrum) in Diamant als ein solcher Einzelphotonenemitter untersucht. Durch Benutzung eines hybriden Ansatzes werden hier NV Zentren in Diamantnanopartikeln in photonische Strukturen integriert. Zuerst wird eine aufnehmen-und-ablegen-Nanomanipulationstechnik mittels eines Rasterkraftmikroskops verwendet um einzelne NV Zentren an eine photonische Kristallkavität und eine optische Faser zu koppeln. Durch Kopplung an die photonische Kristallkavität wird die Emission der Nullphononenlinie des NV Zentrums um den Faktor 12.1 erhöht und durch Kopplung an die optische Faser entsteht eine direkt gekoppelte Einzelphotonenquelle hoher effektiver numerischer Apertur. Durch Kopplung an plamonische Wellenleiter können einzelne Oberflächenplasmon-Polaritonen nachgewiesen werden. Zweitens wird ein anderer Ansatz, die Entwicklung eines hybriden Materials, verfolgt. Hier sind die Nanodiamanten, anstatt sie auf die Strukturen von Interesse zu legen, von Anfang in dem Material enthalten, aus dem die Strukturen hergestellt werden. Mittels direktem Zweiphotonen-Laserschreiben ist es dann möglich, Kombinationen aus chipintegrierten Wellenleitern, Resonatoren und Einzelphotonenemittern zu zeigen. Um mehr über die Dynamik von NV Zentren in Nanodiamant zu erfahren und Wege zu ihrer Verbesserung zu finden, wird die Dynamik der Nullphononenlinie des NV Zentrums mittels eines Photonenkorrelationsinterferometers untersucht. Zusätzlich zu Techniken zur Herstellung photonischer und plasmonischer Strukturen werden auch Methoden zu ihrer Charakterisierung benötigt. Hier für kann es ausgenutzt werden, dass das NV Zentrum weiter nicht nur ein Einzelphotonenemitters ist, sondern es ebenso als Sensor verwendet werden kann. Das NV Zentrum wird hier verwendet, um die lokale optische Zustandsdichte in einem Rastersondenverfahren zu messen, was die Technik der dreidimensionalen Quantenemitter Fluoreszenzlebensdauermikroskopie einführt. / In this thesis, one of such single photon emitters, the nitrogen vacancy centre (NV centre) in diamond, will be examined. By using different hybrid approaches, NV centres in diamond nanoparticles are integrated into photonic structures. Firstly, using a pick-and-place nanomanipulation technique with an atomic force microscope, a single NV centre is coupled to a photonic crystal cavity and an optical fibre. Coupling to the photonic crystal cavity results in an enhancement of the NV centre''s zero phonon line by a factor of 12.1 and coupling to the fibre yields a directly coupled single photon source with an effective numerical aperture of 0.82. By coupling to plasmonic waveguides, the signature of single surface plasmon polaritons is found. Secondly, instead of placing the nanodiamonds on the structures of interest, a hybrid material where the emitters are incorporated is used. With two-photon direct laser writing, on-chip integration and combination of waveguides, resonators, and single photon emitters is demonstrated. In order to learn more on the dynamics of NV centre in nanodiamonds and find ways for improvements, the dynamics of the ultra-fast spectral diffusion of the NV centre''s zero phonon line are investigated using a photon correlation interferometer. In addition to techniques for the fabrication of photonic and plasmonic structures, also methods for their characterisation are needed.For this, it can be exploited that the NV centre also is not only a single photon emitter, but can also be employed as a sensor. Here, the NV centre is used to measure the local density of optical states in a scanning probe experiment, establishing the technique of three-dimensional quantum emitter fluorescence lifetime imaging.

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Ce mémoire de thèse traite du contrôle et de la mise en forme des fronts de phase et d'énergie d'impulsions lasers brèves ultra-intenses.<br />La première partie est consacrée à la conception et la réalisation d'une boucle d'optique adaptative pour la correction des distorsions de surface d'onde sur la chaîne laser de puissance 100 Térawatts du Laboratoire pour l'Utilisation des Lasers Intenses. Cette boucle repose sur l'utilisation d'un dispositif à cristaux liquides comme modulateur de phase et d'un interféromètre à décalage comme senseur de front d'onde. L'association de ces deux dispositifs a permis la construction d'un système innovant de mesure et mise en forme de la surface d'onde d'impulsions lasers ultra-intenses. Il est démontré qu'il permet de corriger une surface d'onde présentant d'importantes distorsions et ainsi améliorer grandement la qualité de focalisation de faisceaux lasers. Cette boucle d'optique adaptative a été testée avec succès sur la chaîne 100 Térawatts et une correction de la surface d'onde de l'ordre de 60% a ainsi pu être démontrée.<br />La seconde partie du mémoire traite de la mise en forme d'une impulsion laser inhomogène brève permettant le pompage du milieu à gain (un plasma) d'un laser à rayons X. L'idée consiste à jouer sur le parallélisme du système de compression d'impulsions utilisé en fin de chaîne 100 Térawatts. Un modèle expliquant la génération d'une impulsion inhomogène laser brève à l'aide de ce compresseur à réseaux de diffraction est développé. Une campagne expérimentale Laser X a notamment permis de valider les prédictions théoriques annoncées par ce modèle et a montré la nécessité d'utiliser une telle impulsion inhomogène afin d'obtenir une émission laser X lorsque le pompage s'effectue par impulsion brève.

Δύο από τα πιο γνωστά μη γραμμικά οπτικά φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα κατά την ακτινοβόληση επιφανειών χρυσού με ισχυρούς παλμούς laser είναι η γένεση πολλαπλών αρμονικών και η πολυφωτονική φωτοηλεκτρική εκπομπή. Οι διεργασίες αυτές αποτελούν το αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής. Κατ' αρχήν η προσπάθεια επικεντρώνεται στην ανάπτυξη ρεαλιστικών μοντέλων περιγραφής των συγκεκριμένων φαινομένων. Εν συνεχεία πραγματοποιούνται αριθμητικοί υπολογισμοί με στόχο την αναπαραγωγή πρόσφατων πειραματικών δεδομένων μέσω της οποίας προτείνονται νέες ιδέες αξιοποίησης των εν λόγω διεργασιών. / Multiple harmonic generation and multiphoton photoelecton emission are the most important nonlinear optical phenomena that take place when a metal surface is illuminated with intense laser pulses. The main objective of this work is the development of realistic theoretical models for these processes. Numerical calculations for several pulse widths are also presented. Through these calculations the validity of the models is checked and new experimental perspectives are proposed.

This thesis focuses on two problems in circuit quantum electrodynamics. We first investigate theoretically the coupling of a resonator to a continuous distribution of inhomogeneously broadened emitters. Studying this formalism is strongly motivated by recent proposals to use collections of emitters as quantum memories for individual excitations. Such systems benefit from the collective enhancement of the interaction strength, while keeping the relaxation properties of a single emitter. We discuss the influence of the emitters inhomogeneous broadening on the existence and on the coherence properties of the polaritonic peaks. We find that their coherence depends crucially on the shape of the distribution and not only on its width. Taking into account the inhomogeneous broadening allows to simulate with a great accuracy a number of pioneer experimental results on a ensemble of NV centers. The modeling is shown to be a powerful tool to obtain the properties of the spin ensembles coupled to a resonator. We also suggest an original Josephson qubit readout method based on a dc-SQUID with high loop inductance. This system supports a diamond-shape artificial atom where we define logical and ancilla qubits coupled through a cross-Kerr like term. Depending on the logical qubit state, the ancilla is resonantly or dispersively coupled to the resonator, leading to a large contrast in the transmitted microwave signal amplitude. Simulations show that this original method can be faster and have higher fidelity than methods currently used in circuit QED. / Cette thèse porte sur deux problèmes théoriques d'électrodynamique quantique en circuits supraconducteurs. Nous avons d'abord étudié les conditions d'obtention du couplage fort entre un résonateur et une distribution continue d'émetteurs élargie de façon inhomogène. Le développement de ce formalisme est fortement motivé par les récentes propositions d'utiliser des ensembles de degrés de liberté microscopiques pour réaliser des mémoires quantiques. En effet, ces systèmes bénéficient du couplage collectif au résonateur, tout en conservant les propriétés de relaxation d'un seul émetteur. Nous discutons l'influence de l'élargissement inhomogène sur l'existence et les propriétés de cohérence des pics polaritoniques obtenus dans le régime de couplage fort. Nous constatons que leur cohérence dépend de façon critique de la forme de la distribution et pas uniquement de sa largeur. En tenant compte de l'élargissement inhomogène, nous avons pu simuler avec une grande précision de nombreux résultats expérimentaux pionniers sur un ensemble de centres NV. La modélisation s'est révélée un outil puissant pour obtenir les propriétés des ensembles de spins couplés à un résonateur. Nous proposons également une méthode originale de mesure de l'état de qubits Josephson fondée sur un SQUID DC avec une inductance de boucle élevée. Ce système est décrit par un atome artificiel avec des niveaux d'énergie en forme de diamant où nous définissons les qubits logique et ancilla couplés entre eux par un terme Kerr croisé. En fonction de l'état du qubit logique, l'ancilla est couplée de manière résonante ou dispersive au résonateur, ce qui provoque un contraste important dans l'amplitude du signal micro-onde transmis par le résonateur. Les simulations montrent que cette méthode originale peut être plus rapide et peut aussi avoir une plus grande fidélité que les méthodes actuellement utilisées dans la communauté des circuits supraconducteurs.

Cette thèse se place dans le domaine du transport quantique cohérent, et vise à développer un formalisme adapté à la modélisation d'expériences réalisées dans les canaux de bord de l'effet Hall quantique entier. Ce formalisme repose sur les analogies entre ces expériences et celles de l'optique quantique photonique.Le manuscrit commence par une introduction au contexte de la thèse qui propose un tour d'horizon des enjeux, des outils et des succès de l'optique quantique électronique.La première partie du travail traite des propriétés de cohérence mono-électronique et introduit la notion clé d'excès de cohérence à un électron. Plusieurs représentations sont proposées et analysées, permettant d’accéder aux informations physiques contenues dans la fonction de cohérence. Les états émis par des sources à électrons utilisées par plusieurs groupes expérimentaux sont ensuite analysés sous cet angle.Les effets à deux électrons sont au cœur de la seconde partie. L'excès de cohérence à deux électrons est défini en prenant en compte les effets de corrélation classique et d'échange quantique. Les conséquences de l'anti-symétrie fermionique sont également analysées en détail, montrant une redondance dans les informations encodées dans la cohérence à deux électrons. Enfin, un degré de cohérence normalisé est introduit pour étudier plus directement les effets d'indiscernabilité et d'anti-bunching.La mesure et la manipulation de la cohérence électronique par interférométrie sont abordées dans la troisième partie. Dans un premier temps, le lien entre les fonctions de cohérence électronique et les quantités directement accessibles dans les expériences est établi, ce qui justifie le besoin de protocoles plus complexes. La mesure d'excès de cohérence à un électron est alors envisagée par interférométrie Mach-Zehnder à un électron, puis par interférométrie Hong-Ou-Mandel à deux électrons, ce qui suggère une interprétation plus simple d'un protocole de tomographie électronique établi en 2011. Un protocole de mesure de l'excès de cohérence à deux électrons est ensuite proposé par interférométrie de type Franson, étendant les idées relatives à la mesure de cohérence à un électron par un interféromètre de Mach-Zehnder. Enfin, une vision complémentaire est apportée sur l'interféromètre de Franson, en utilisant celui-ci cette fois pour générer une cohérence à deux électrons non locale. / This thesis deals with coherent quantum transport and aims at developing a formalism well suited to model experiments conducted in edge channels of integer quantum Hall effect. This formalism relies on analogies between these experiments and photon quantum optics ones.The manuscript begins with an introduction to the context of the thesis and an overview of issues, tools and successes of electron quantum optics.The first part of the work addresses the question of single electron coherence properties and introduces the key notion of excess of single electron coherence. Several representations are proposed and analyzed, giving access to physical informations encoded in the coherence function. The quantum states emitted by experimentally demonstrated electron sources are then analyzed under this perspective.Two electron effects are at the heart of the second part. The excess of two-electron coherence is defined taking into account both classical correction and quantum exchange effects. A detailed analysis of consequences of fermionic anti-symmetry is provided and shows that information encoded into two-electron coherence is redundant. Last, a normalized degree of coherence is introduced in view of a more direct study of indistinguishability and anti-bunching.The issue of measuring and manipulating electronic coherence by interferometry is addressed in the third part. First the relation between electronic coherence functions and directly measurable quantities in experiments is established, justifying the need for more involved measurement protocols. The measure of the excess of single electron coherence is envisioned through single electron Mach-Zehnder interferometry and two-electron Hong-Ou-Mandel interferometry, suggesting a simpler interpretation of a tomography protocol established in 2011. A protocol for measuring the excess of two-electron coherence is then proposed by Franson-like interferometry, which generalizes the ideas used for measuring single electron coherence with a Mach-Zehnder interferometer. Last, a complementary point of view on Franson interferometer is given, by using it to generate a non-local two-electron coherence.

Cette thèse est consacrée à l'étude de la décohérence de paquets d'onde mono-électroniques injectés dans un conducteur quantique balistique. Les paquets d'onde sont générés à l'aide d'une capacité mésoscopique, utilisée comme source d'électrons uniques, qui sont émis à la demande dans le canal de bord externe de l'effet Hall quantique entier. Deux telles sources indépendantes et synchronisées sont positionnées sur les bras d'entrée d'une lame séparatrice électronique. La mesure des fluctuations (bruit) du courant dans les bras de sortie permet de caractériser les interférences à deux électrons se produisant sur la lame séparatrice. De cette manière, on réalise l'analogue électronique de l'interféromètre de Hong-Ou-Mandel (HOM). Il apparaît que le contraste de la figure d'interférence dépend de la forme des paquets d'onde injectés. Cette perte de cohérence est imputée au couplage capacitif, dû à l'interaction coulombienne, entre le canal de bord externe et les autres canaux de bord co-propageants, qui constituent un environnement contrôlé pour le canal externe. Afin de valider cette hypothèse, une seconde expérience est réalisée. La capacité mésoscopique y est utilisée dans un autre régime de fonctionnement, dans lequel elle permet de générer une excitation collective de la densité de charge du canal externe, appelée magnéto-plasmon de bord. En caractérisant la propagation du magneto-plasmon de bord en fonction de la fréquence d'excitation, on peut sonder l'interaction Coulombienne entre deux canaux de bord. Ces mesures montrent que cette interaction est responsable de l'apparition de deux modes propres de la propagation : un mode "chargé" rapide et un mode "neutre" lent. Elles permettent de caractériser quantitativement la vitesse de propagation du mode neutre. Les résultats de cette seconde expérience sont ensuite utilisés pour établir que la perte de contraste, observée dans l'expérience HOM, est essentiellement due à l'interaction entre canaux de bord. Ce couplage est responsable de la destruction des quasi-particules injectées par la source, un électron se séparant (ou fonctionnalisant) en deux pulses de charge e/2 au fil de sa propagation. Durant le processus de fractionnalisation, l'état généré dans le canal de bord externe s'intrique avec son environnement (canaux de bord co-propageants) entraînant la réduction du contraste dans l'expérience HOM. Ces observations ouvrent la voie à de nouvelles expériences plus complexes telles que la tomographie de l'état du paquet d'onde sur la lame séparatrice (pour valider complètement le scénario de destruction des quasi-particules) ou la protection de la cohérence de l'état dans le canal de bord externe. / This manuscript is devoted to the study of the decoherence of single electronic wavepackets injected in a balistic quantum conductor. The single electrons are emitted on-demand using a mesoscopic capacitor in the outer edge channel of the integer quantum Hall effect. Two independent and synchronized sources are located on the input arms of an electronic beam-splitter. The measurement of the current fluctuations (noise) in the output arms allows for the characterization of two-electron interferences occuring on the beam-splitter. This realizes the electronic analog of the Hong-Ou-Mandel (HOM) interferometer. It appears that the contrast of the interference pattern depends on the shape of the emitted wavepackets. This loss of electronic coherence is caused by the capacitive coupling, due to the Coulomb interaction, between the outer edge channel and the other channels, which constitute a controlled environment for the outer channel. In order to validate this scenario, a second experiment has been realized. The mesoscopic capacitor is used in a different regime, in which it generates a collective charge density wave called edge magnetoplasmon. By characterizing the propagation of the edge magnetoplasmon as a function of frequency, one can probe the Coulomb interaction between the channels. The measurements show that this interaction is responsible for the appearance of two propagating eigenmodes: a fast charge mode and a slow neutral mode, and provide the determination of the slow mode velocity. The results of this second experiment are then used to establish that the reduction of the contrast observed in the HOM experiment is caused by this interchannel interaction. It is responsible for the destruction of the quasiparticles emitted by the source which fractionalize in charge pulses of charge e/2 along propagation. During the fractionalization process, the state generated in the outer channel gets entangled with the environment (other channels), hence reducing the contrast in the HOM experiment. More complex experiments, such as the tomography of the emitted electornic wavepacket to validate the full decoherence scenario, or the implementation of decoherence protection schemes can be envisioned in the future.

Quantum key distribution (QKD) protocols are intended to allow cryptographic keys to be generated and distributed in way that is provably secure based on inherent limitations, such as the no-cloning principle, imposed by quantum mechanics. This unique advantage compared with classical cryptography comes with an added difficulty: key bits in QKD protocols are encoded in analogue quantum states and their preparation is consequently subject to the usual imprecisions inevitable in any real world experiment. The negative impact of such imprecisions is illustrated for the BB84 QKD protocol. Following this, the main part of this thesis is concerned with the incorporation of such imprecisions in security proofs of the BB84 and two semi-device-independent protocols against the class of collective attacks. On a technical level, by contrast with the vast majority of security proofs developed since the turn of the century, in which recasting the protocol into an equivalent entanglement-based form features heavily in the analysis, the main results obtained here are approached directly from the prepare-and-measure perspective and in particular the connection with the no-cloning theorem and an early security proof by Fuchs et al. against the class of individual attacks is emphasised.<p><p>This thesis also summarises, as an appendix, a separate project which introduces and defines a hierarchy of polytopes intermediate between the local and no-signalling polytopes from the field of Bell nonlocality. / Doctorat en Sciences / 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