La maitrise de l’information représente un avantage concurrentiel de nos jours. Malgré une intensification des moyens développés pour protéger les flux de données, il n’est actuellement pas possible d’échanger à distance et de façon complètement sure, une information entre deux interlocuteurs. Néanmoins, des travaux menés par Bennett et Brassard ont montré qu’il est possible d’atteindre un niveau de sécurité maximum en utilisant un protocole quantique de transmission de l’information. Ce protocole se base sur l’utilisation de réseaux télécom utilisant des répéteurs quantiques à la place des répéteurs classiques. La voie étudiée dans cette thèse, réalisée en partie dans le cadre du projet européen QuRep, a pour but l’amélioration des connaissances sur les monocristaux dopés aux ions de terre rare qui sont des candidats de choix pour la mise au point de répéteurs quantiques. Deux grands axes ont émergés : dans un premier temps nous avons essayé de comprendre quels sont les facteurs de succès et limitatifs dans l’utilisation du cristal de Nd : YSO en tant qu’hôte pour les mémoires quantiques avec pour objectif le transfert de la cohérence électronique vers des niveaux hyperfins. Dans un second temps, nous avons étudié un cristal présentant une structure hyperfine directement accessible en optique, Er : YLF afin de vérifier sa potentielle utilisation pour les mémoires quantiques. Ces travaux ont permis, entre autre, de réaliser un transfert de cohérence d’un niveau Zeeman électronique vers un niveau hyperfin avec un temps de stockage de plus de 300 µs, ce qui permet d’envisager une mémoire quantique dans Nd : YSO permettant de réémettre un photon à la demande. / The control of information is a competitive advantage today. Despite an intensification of the means developed to protect the data stream, it is currently not possible to exchange remotely and in a completely safe way information between two parties. However, the work of Bennett and Brassard have shown that it is possible to achieve a maximum level of security using a protocol for transmitting quantum information. This protocol is based on the use of telecom networks using quantum repeaters in place of conventional repeaters.The route studied in this thesis, carried out partly in the framework of the European Project QuRep, aims to improve knowledge on single crystals doped with rare earth ions that are good candidates for the development of quantum repeaters. Two main areas emerged: on the one hand, we tried to understand the success and limiting factors regarding the use of Nd : YSO single crystal as host for quantum memories. The objective was also to transfer the coherence from an electronic Zeeman level to the hyperfine levels. In a second step, we studied a crystal with a hyperfine structure directly accessible in optics, Er : YLF to assess its potential use for quantum memories. Among other things, we achieved the transfer of coherence from a Zeeman level to an hyperfine level with a storage time of over 300 microseconds, which allows to consider the development an on demand readout quantum memory in Nd : YSO.

Cette thèse s'inscrit dans le domaine général de l'information quantique, qui cherche à tirer parti des lois de la mécanique quantique pour proposer des protocoles de traitement de l'information originaux. Ce travail se focalise sur l'un des systèmes les plus prometteurs en terme d'information quantique : les ions uniques confinés dans des pièges radio-fréquence et refroidis par laser. Une étude théorique a permis de proposer un protocole original d'échange d'état intriqués sur de longues distances, utilisant des ions piégés. L'étude de la miniaturisation des dispositifs de piégeage, permettant d'envisager la construction de futurs ordinateurs quantiques, passe par la compréhension de l'effet des défauts des électrodes sur un ion piégé : cette thèse propose un modèle analytique original permettant de calculer la loi d'échelle de l'effet des bruits électriques avec la taille du piège. Ce modèle servira à optimiser le protocole de fabrication de pièges miniatures, dont les premiers échantillons ont été réalisés et sont en cours de test sur un dispositif expérimental dédié (enceinte à vide, électronique de contrôle et sources laser de refroidissement). Les premiers résultats prometteurs ont permis de démontrer le piégeage et le refroidissement d'ion uniques de Strontium refroidis par laser, dans un piège de Paul linéaire macroscopique.

La communication quantique vise la génération, la distribution et le stockage de qubits afin d'établir de véritables réseaux quantiques. Le stockage cohérent, efficace et réversible d'états photoniques dans des mémoires atomiques est donc nécessaire et représente actuellement un enjeu majeur de la science de l'information quantique. Ainsi, de nombreux supports de stockage, tels que les ensembles d'atomes froids ou à l'état solide, sont envisagés afin de satisfaire au mieux les propriétés attendues d'une mémoire quantique. Les travaux présentés dans ce manuscrit s'inscrivent dans ce contexte et décrivent la réalisation expérimentale d'une mémoire basée sur le protocole DLCZ dans un ensemble d'atomes froids de 87Rb. Un dispositif de double piège magnéto-optique permet de refroidir et de confiner cet ensemble au sein d'un piège dont le temps de vie est ~15 s, et de le manipuler en vue du stockage quantique. Nous disposons ainsi d'un nuage présentant une épaisseur optique à résonance de l'ordre de 5, et dont les atomes sont refroidis à une dizaine de µK. La mise en place du protocole DLCZ dans cet ensemble atomique consiste à créer des états cohérents de la matière puis à les relire, à partir de diffusions Raman qui s'accompagnent de la génération de photons uniques corrélés en impulsion. Les premiers résultats obtenus montrent des corrélations non-classiques, affichant une violation forte de l'inégalité de Cauchy-Schwarz, pour une efficacité de lecture de l'ordre de 4% et un temps de cohérence de l'état stocké de ~800 ns. Cette mémoire, utilisée comme une source de photons uniques annoncés, fait partie d'un projet pour lequel une interface basée sur de l'optique non-linéaire / Quantum communication aims at generating, distributing and storing qubits between distant locations, in view of implementing actual quantum networks. Coherent, efficient and reversible storage of photonic states in atomic memories is thus necessary and represents a major challenge in quantum information science. Several storage medium, such as cold atomic or solid-state ensembles, are considered so as to satisfy at best the different benchmarks of a quantum memory. In this context, the work presented in this manuscript describes the experimental realization of a memory based on the DLCZ protocol in cold atomic ensemble of 87Rb. A double magneto-optical trap system allows cooling and confining this ensemble within a trap showing a lifetime of 15 s, and to manipulate it for quantum storage. This cloud shows a resonant optical thickness of about 5, and atoms are cooled down to 10 µK. The implementation of the DLCZ protocol in this atomic ensemble consists in creating coherent states of matter and then to read them, using Raman scattering events which come along with the generation of pairs of single photons correlated in momentum. First results show non-classical correlations, which exhibit a strong violation of the Cauchy-Schwarz inequality, with a read-out efficiency of about $4\%$ and a coherence time of the stored state on the order of 800 ns. This memory, used as a heralded single photon source, is part of a project in which an interface based on non-linear guided wave optics has been built and caracterized so as to convert the 795 nm single photons generated by the memory to the telecom wavelength of 1560 nm. Both elements, combined with a entangled photon source withi

Le développement rapide de l’industrie des systèmes sans fil suscite une demande urgente pour des communications à haut débit, notamment en environnement « indoor ». Toutefois, les protocoles traditionnels de communications sont incapables de supporter de très hauts débits et, surtout, il n'y a pas de ressources spectrales disponibles à basse fréquence. Comme une alternative, la bande des 60GHz est préconisée parce qu’elle permet un débit de plus de 5Gbit/s, grâce à son large spectre (57GHz à 64 GHz). Toutefois, en pratique, l’environnement « indoor » est complexe et, dans les situations d’absence de visibilité directe, la couverture radio est difficile à assurer à cause des fortes atténuations. Afin de remédier à ce problème, l’utilisation de répéteurs est possible. Dans cette thèse, l’intérêt est porté sur les répéteurs passifs, plus simples à installer et compatibles avec une réalisation faible coût. Le cas critique de la couverture radio d’un couloir en T est choisi comme fil conducteur, tout au long de cette étude. Les solutions préconisées visent aussi la compacité, ce qui justifie l’utilisation de réflecteurs plans. A partir de la théorie des réseaux d’antennes, une structure périodique générique pour le répéteur est proposée. Elle implique deux cellules réfléchissantes élémentaires (espacées de /2), produisant des ondes en opposition de phase. Plusieurs topologies et technologies sont ensuite envisagées et étudiées pour la mise en oeuvre. La première utilise des antennes à résonateur diélectrique (DRA). Deux topologies différentes sont étudiées et comparées, le DRA à encoche et le DRA couplé à une ligne déphaseuse en circuit ouvert. Différentes stratégies de modélisation sont également étudiées en utilisant une cellule unique, un couple de 2 cellules avec phases opposées ou un petit réseau. Pour chaque topologie, un réseau canonique de 6×6 éléments est simulé. La deuxième technologie étudiée utilise des guides d’ondes rectangulaires chargés par un matériau diélectrique et courtcircuités. Des analyses paramétriques sont effectuées et un 6 ×6 réseau est conçu et optimisé pour valider la faisabilité de la solution. Finalement, une structure en guide à plaques métalliques parallèles est analysée. Dérivant de la solution précédente, elle permet une fabrication plus simple. Pour cette dernière solution, une analyse plus complète est menée incluant des considérations sur la bande passante, les performances en incidence oblique et la direction de rayonnement maximal. Enfin, un réseau à base de cet élément rainuré est fabriquée présentant une taille de 200 mm×200 mm. Des mesures expérimentales à 60GHz sont réalisées pour tester les performances du réseau. La preuve de concept est ainsi donnée et les résultats expérimentaux sont analysés. / The fast development of information and consumer electronics industries creates a pressing demand for high-speed indoor communications. Traditional communication protocols are unable to support such high transmission rate, and there are no radio bands available at lower frequency. As an alternative, 60GHz communications have sparked great attention, since it enables a maximum data transmission rate more than 5Gbit/s based on its wide unlicensed bandwidth. However, practical indoor environment is usually complicated (e.g. walls, corridors, stairs, etc.), thus the non-line-of-sight (NLOS) areas cannot be covered due to the significant attenuation. Considering the requirements for signal recovery in the NLOS environment, a planar passive repeater with endfire radiation and high directivity, low profile and low cost is investigated and designed in this thesis. Based on array theory, a periodic structure for the foreseen printed repeater is derived out. It involves two reflector elements (in the spacing of 2) to provide 0° and 180°reflection phases respectively. In order to construct a proper reflector element, four topologies are proposed and analyzed. In the first part of the study, DRA (Dielectric Resonator Antenna) technology is the main focus. Two different topologies are investigated and compared, including notched DRA and DRA coupled to phase-shift stub. Different modeling strategies are also studied using either a single cell, a couple of cells with opposite phases or a small array. For each topology, a preliminary 6×6 array is simulated. Optimization at the array level is emphasized through the whole thesis. In the second part, investigations are taken on a rectangular dielectric filled waveguide element. Parametric analyses are carried out and possible fabrication technologies are discussed. Once again, a preliminary 6×6 array is designed and optimized to validate the feasibility of such a structure. In the third part, a parallel-plate groove structure is analyzed. It evolves from the rectangular waveguide, and enjoys more simplification. Further work is taken to explore the arrays’ bandwidth, oblique incidence performance and maximum radiation direction. Detailed theoretical analysis based on the simulation results are demonstrated in the end. Finally, an array based on the groove elements is fabricated in the size of 200mm×200mm. Practical measurements for 60GHz communications in NLOS environment are designed to test the array’s performance. Analyses on the experiment results are given.

La maitrise de l'information représente un avantage concurrentiel de nos jours. Malgré une intensification des moyens développés pour protéger les flux de données, il n'est actuellement pas possible d'échanger à distance et de façon complètement sure, une information entre deux interlocuteurs. Néanmoins, des travaux menés par Bennett et Brassard ont montré qu'il est possible d'atteindre un niveau de sécurité maximum en utilisant un protocole quantique de transmission de l'information. Ce protocole se base sur l'utilisation de réseaux télécom utilisant des répéteurs quantiques à la place des répéteurs classiques. La voie étudiée dans cette thèse, réalisée en partie dans le cadre du projet européen QuRep, a pour but l'amélioration des connaissances sur les monocristaux dopés aux ions de terre rare qui sont des candidats de choix pour la mise au point de répéteurs quantiques. Deux grands axes ont émergés : dans un premier temps nous avons essayé de comprendre quels sont les facteurs de succès et limitatifs dans l'utilisation du cristal de Nd : YSO en tant qu'hôte pour les mémoires quantiques avec pour objectif le transfert de la cohérence électronique vers des niveaux hyperfins. Dans un second temps, nous avons étudié un cristal présentant une structure hyperfine directement accessible en optique, Er : YLF afin de vérifier sa potentielle utilisation pour les mémoires quantiques. Ces travaux ont permis, entre autre, de réaliser un transfert de cohérence d'un niveau Zeeman électronique vers un niveau hyperfin avec un temps de stockage de plus de 300 μs, ce qui permet d'envisager une mémoire quantique dans Nd : YSO permettant de réémettre un photon à la demande