L'électrodynamique quantique en cavité et en circuit étudie l'interaction lumière-matière à son stade le plus fondamental, dans lequel un atome unique, qu'il soit naturel ou artificiel, interagit avec un seul mode du champ électromagnétique. Dans ce système, le confinement du champ augmente l'intensité de l'interaction jusqu'à permettre d'observer l'échange cohérent de quanta entre lumière et matière [1, 2, 3]. Récemment, des expériences réalisées à l'aide de qubits supraconducteurs ont démontré des couplages record caractéristiques d'un nouveau régime, dit ultra-fort, dans lequel l'état fondamental n'est plus le vide, mais un état fortement intriqué entre l'atome et le champ [4, 5]. Malgré cet accroissement gigantesque du couplage lumière-matière, ce dernier est le plus souvent négligé lorsqu'on considère l'interaction de ce système avec son environnement. En effet, la plupart des travaux théoriques publiés récemment décrivent la dynamique dissipative du système atome-cavité en se basant sur l'équation maîtresse de l'optique quantique, un modèle valide seulement dans le cas de l'atome ou du résonateur séparés [6, 7, 8, 9]. Dans ce travail, on démontre qu'employer l'équation maîtresse de l'optique quantique en couplage ultra-fort mène des prédictions qui violent la conservation de l'énergie. Pour pallier ce problème, on établit un modèle de la dissipation qui inclut le couplage atome-champ. On montre en particulier que des fluctuations aléatoires dans la fréquence de l'atome artificiel peuvent générer des excitations dans le système des fréquences précises. On indique aussi que des oscillations cohérentes à ces fréquences dans l'espacement des niveaux de l'atome pourraient être utiles pour accélérer le contrôle cohérent du système quantique. Notre modèle prédit finalement une asymétrie dans les raies de spectroscopie du système atome-cavité qui pourrait être exploitée pour sonder la densité spectrale de bruit de l'environnement des fréquences jusqu'à ce jour inexplorées.

Cette thèse est consacrée à l'étude de deux aspects de la physique mésoscopique que sont le bruit quantique haute fréquence et l'effet de proximité supraconducteur en se focalisant toutefois sur un système modèle: le nanotube de carbone.Ainsi la première partie de cette thèse est dédiée à la mesure de bruit quantique haute fréquence. Afin de mesurer ces fluctuations nous avons développé un système de détection "on-chip" original dans lequel la source de bruit et le détecteur, une jonction Supraconducteur/Isolant/Supraconducteur, sont couplés par un circuit résonant. Cela nous a permis dans un premier temps de mesurer le bruit à l'équilibre du résonateur. Son bruit comporte une forte asymétrie entre émission et absorption reliée aux fluctuations de point zéro. Une seconde étape a été de mesurer le bruit hors équilibre d'émission du passage tunnel de quasi-particules dans une jonction Josephson. Ce bruit comporte une forte dépendance en fréquence en accord avec les prédictions théoriques et nous a permis de valider le principe de détection. Finalement, nous avons pu mesurer le bruit associé au régime Kondo hors équilibre d'une boîte quantique à nanotube de carbone (énergie caractéristique kBTK avec TK la température Kondo). Ce bruit d'émission à kBTK~hν possède une forte singularité à la tension V=hν/e (ν étant la fréquence de mesure). Cette singularité est reliée aux résonances Kondo dans la densité d'états de la boîte associés aux niveaux de Fermi de chaque réservoir. A plus haute fréquence hν~3kBTK, la singularité disparaît, ce qui est compris par des effets de décohérence induits par la tension.Dans la seconde partie, nous avons développé une technique permettant de mesurer à la fois la relation courant/phase et la caractéristique courant/tension d'un lien faible séparant deux supraconducteurs. Nous avons ainsi caractérisé une jonction à base de nanotube de carbone au travers de laquelle une relation courant-phase modulable par une tension de grille a été observée. Cette relation courant/phase exhibe une forte anharmonicité lorsque le supercourant présente une relativement grande amplitude.

I) Dans notre travail sur les condensats, souvent motivé par des expériences, nous nous sommes intéressés à deux aspects. Le premier lié à la cohérence de phase du condensat et le deuxième lié au caractère multimode du champ atomique lorsque la température du système est non nulle. Nous avons étudié l'effet des pertes de particules sur le brouillage et les résurgences de phase par la méthode des fonctions d'onde Monte-Carlo. Nous avons étudié la dynamique spatiale et de phase dans un mélange de deux condensats par des méthodes analytiques et numériques à l'aide de l'équation de Gross-Pitaevskii. Nous avons proposé et mis en oeuvre une méthode stochastique pour échantillonner la distribution de Wigner d'équilibre d'un champ atomique à une température non nulle dans le cadre de l'approximation de Bogoliubov; ceci peut servir de point de départ pour une évolution dynamique de type champ classique qui, elle, va au-delà de l'approche de Bogoliubov. Par des simulations 3D de champ classique, nous avons ainsi montré la formation d'un réseau de vortex dans un condensat tournant, sans l'introduction de termes d'amortissement dans l'équation de Schrodinger non linéaire.<br /><br /><br />II) Selon la méthode actuellement utilisée, l'hélium 3 est pompé par échange de métastabilité à faible pression (< 1mbar) ce qui nécessite un phase<br />délicate de compression sans perte de polarisation avant que le gaz puisse être utilisé pour l'imagerie.<br />Par une étude expérimentale et théorique systématique, nous avons montré qu'effectuer le pompage en présence d'un champ magnétique fort, de 1.5 Tesla, permet de supprimer des canaux de relaxation de la polarisation nucléaire et d'étendre ainsi le domaine d'applicabilité du pompage de l'hélium par échange de métastabilité à des pressions presque 100 fois plus élevées que celles usuelles, ce qui devrait simplifier considérablement l'étape de compression du gaz.

Ce travail est consacré à l'étude d'effets non-linéaires et quantiques dans des microcavités semi-conductrices. La réponse optique de ces dispositifs est décrite en termes de modes mixtes exciton-photon, les polaritons de cavité. <br />Nous avons d'abord effectué des expériences dans le régime d'oscillation paramétrique de polaritons, dans la configuration d'«angle magique».<br />Nous avons ensuite mis en évidence un phénomène d'oscillation de mélange à quatre ondes, sous excitation résonnante par deux faisceaux de pompe contrapropageants. L'étude de la polarisation de l'émission non linéaire permet d'avoir accès à la dynamique de spin des polaritons. La mesure du bruit d'intensité de l'émission montre que le processus de mélange à quatre ondes produit deux populations de polaritons fortement corrélées. <br />Enfin, nous avons effectué une étude théorique du mélange à quatre ondes, afin de préciser les conditions qui permettraient d'observer des polaritons corrélés quantiquement.

(Thèse en anglais) Nous présentons deux expériences qui mettent en évidence une réduction du bruit d'intensité de la lumière en dessous de la limite quantique normale. Dans la première expérience, nous avons mettons en évidence une réduction de 86 % dans le bruit mesuré sur la différence entre les intensités des deux faisceaux "jumeaux" produits par un Oscillateur Paramétrique Optique. Dans la seconde expérience, nous exploitons cette corrélation d'intensité entre les faisceaux jumeaux : la mesure de l'intensité d'un des faisceaux jumeaux est utilisée pour réduire les fluctuations d'intensité de l'autre faisceau par une méthode de correction électro-optique. Nous avons ainsi obtenu un seul faisceau dont le bruit d'intensité est réduit de 24% en dessous du bruit quantique normal, ou bruit de grenaille. Nous présentons en outre une analyse théorique générale pour les deux expériences, en faisant appel à un modèle semi-classique de type entrée-sortie : sont étudiées successivement des configurations dans lesquelles la correction est appliquée directement sur l'autre faisceau (correction en aval), ou indirectement sur le laser de pompe (correction en amont). Nous calculons la réduction de bruit maximale qui peut être obtenue par de tels systèmes d'asservissement et détaillons les limites imposées par les contraintes de causalité et de stabilité. Pour terminer, nous démontrons l'équivalence, dans la limite des petites fluctuations, entre le modèle semiclassique et un modèle "corpusculaire" de description des photons. Une simulation numérique de type Monte-Carlo corrobore ce résultat.

Nous étudions en détail le bruit quantique dans les microlasers semi-conducteurs à cavité verticale : les VCSELs, dont l'acronyme anglais signifie Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers. Ces lasers ont la particularité d'émettre des faisceaux avec plusieurs modes transverses de polarisations variées au-dessus du seuil. Lorsqu'un seul mode transverse, polarisé linéairement oscille, nous démontrons théoriquement aussi bien qu'expérimentalement l'importance de l'émission dans la direction de polarisation orthogonale pour la caractérisation du bruit d'intensité. En régime multimode transverse, les anticorrélations très importantes entre les modes permet d'obtenir, pour les meilleurs échantillons, des faisceaux au bruit d'intensité comprimé (jusqu'à 15 % sous la limite quantique standard). Pour les échantillons qui présentent de l'excès de bruit en régime libre, la technique de l'injection optique permet d'obtenir, dans certains cas, de la compression du bruit d'intensité. Enfin, nous présentons nos résultats sur la structure spatiale du bruit d'intensité dans le plan transverse. Nous rapportons aussi dans ce manuscrit l'étude du bruit d'intensité des minilasers Nd :YVO4. Par rapport au modèle standard des lasers à deux niveaux, ces lasers présentent un excès de bruit à basse fréquence. Nous montrons que cet excès de bruit provient d'effets non linéaires dus à l'importance du pic de bruit à la fréquence d'oscillation de relaxation. Expérimentalement, nous mettons en oeuvre deux techniques distinctes pour réduire ces effets : une boucle de rétroaction électrooptique et l'injection optique.

La thèse est consacrée à l'étude du bruit quantique dans les lasers à semiconducteur et à solide. Le principe de la suppression du bruit de pompe est utilisé avec différentes méthodes pour réduire le bruit d'intensité. Les lasers semiconducteur à ruban ont été étudiés en utilisant différents types de techniques d'affinement spectral à température ambiante : diode sur réseau et injection optique. La compression de bruit mesurée est de 1.6 dB et 2.3 dB respectivement. La principale conclusion de cette étude est que le bruit d'intensité des diodes laser résulte de l'annulation entre les fluctuations fortement anticorrélées du mode principal et des faibles et nombreux modes longitudinaux Les mesures effectuées à basse température montrent l'importance des corrélations quantiques entre modes de polarisation orthogonale. L'étape suivante est l'étude des lasers semiconducteur à microcavité (VCSELs). Une compression de bruit de 0.7 dB sous le bruit quantique standard, résultant de fortes anticorrélations entre les modes transverses, a été observée dans un VCSEL multimode. Une étude approfondie de ces anticorrélations est effectuée analysant la distribution spatiale transverse du bruit d'intensité. Un microlaser Nd: YVO4 pompé par diode à bruit comprimé a aussi été étudié. Les effets du bruit de pompe sur le bruit d'intensité du microlaser sont clairement mis en évidence. La réalisation d'une boucle de rétroaction non standard sur la diode laser de pompe révèle l'existence d'effets non linéaires dans le spectre de bruit. La technique de l'injection optique a aussi été utilisée avec succès pour supprimer l'oscillation de relaxation. Enfin, une application des diodes laser à bruit comprimé est présentée. La technique de la modulation de fréquence est employée avec des laser à bruit d'intensité sous le bruit quantique standard pour la détection de signaux d'absorption dans une expérience de spectroscopie de haute sensibilité.

Nous étudions en détail le bruit quantique dans les microlasers semi-conducteurs à cavité verticale : les VCSELs, dont l'acronyme anglais est Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers. Ces lasers ont la particularité d'émettre des faisceaux avec plusieurs modes transverses au-dessus du seuil. Lorsqu'un seul mode transverse, polarisé linéairement oscille, nous démontrons théoriquement aussi bien qu'expérimentalement l'importance du bruit de l'émission dans la direction de polarisation orthogonale pour la caractérisation du bruit d'intensité. Lorsque deux modes transverses polarisés linéairement et orthogonalement oscillent, nous étudions la structure spatiale transverse du bruit d'intensité. Nous développons un modèle quantique qui donne correctement l'allure du bruit d'intensité.<br /><br />Nous rapportons également dans cette thèse l'étude du bruit quantique dans les diodes laser. Par rapport au modèle standard des lasers à deux niveaux, ces lasers présentent un excès de bruit à fort courants. Nous démontrons expérimentalement et théoriquement que cet excès de bruit provient des fluctuations du courant à l'intérieur de la diode laser.

Un conducteur est bien caractérisé par sa conductance donnée par la formule de Landauer. Mais le bruit contient davantage d'informations que la conductance. Il mesure les fluctuations temporelles du courant autour de sa valeur moyenne. De plus, le signe des corrélations croisées est lié à la statistique des porteurs de charges.<br /><br />Nous considérons l'injection controllée d'une charge d'un métal normal sur un état de bord de l'effet Hall quantique fractionnaire, à l'aide d'une tension dépendant du temps V(t). Nous montrons que les corrélations électroniques préviennent les divergences des fluctuations de charge pour un pulse de tension générique. La formule de la charge moyenne et des fluctuations de charges sont obtenue en utilisant l'approximation adiabatique et les résultats non perturbatifs pour un bord de l'effet Hall quantique Fractionnaire de facteur de remplissage 1/3. Nous faisons également une généralisation aux systèmes décrits par les autres modèles des liquides de Luttinger. <br /><br />Nous considérons la mesure à haute fréquence des corrélations de courant à l'aide d'un circuit résonnant, qui est couplé inductivement au circuit mésoscopique dans le régime cohérent. Les informations sur les corrélations apparaissent dans les histogrammes de la charge aux bornes de la capacité du circuit résonnant. La dissipation est essentiel afin de conserver des fluctuations de charge finis. Nous identifions quelle combinaison du courant de corrélation entre dans la mesure du troisième moment. Ce dernier reste stable pour une dissipation nulle. Nous proposons alors une généralisation du circuit LC résonant afin de sonder directement les corrélations croisées. Les corrélations croisées dépendent de quatre corrélateurs non-symétrisés. Les résultats sont illustrés pour un point contact.

Cette thèse est consacrée au transport quantique à travers une impureté Kondo, formée dans une boîte quantique réalisée dans un nanotube de carbone. L’effet Kondo est ainsi sondé à travers deux situations : en compétition avec l’effet Josephson induit dans le nanotube par des contacts supraconducteurs et à travers son émission haute fréquence. Dans une première série d’expériences, nous avons introduit un nanotube dans un SQUID, afin de mesurer la relation entre son supercourant et la différence de phase supraconductrice à ses bornes. Nous avons mesuré cette relation lorsque les corrélations Kondo et supraconductrices sont du même ordre de grandeur et montré que l’état du système, singulet ou doublet (correspondant respectivement à une jonction 0 ou π) peut alors être contrôlé par la phase supraconductrice. Nous avons également montré que, si un deuxième niveau d’énergie participe au transport des paires de Cooper, la transition 0-π n’est plus une transition du premier ordre comme c’est le cas quand un seul niveau est impliqué. Dans la deuxième partie de la thèse, le nanotube de carbone est couplé, aux fréquences déterminées par un résonateur, à une jonction tunnel supraconductrice servant de détecteur on-chip de bruit haute fréquence. Ceci nous a permis de mesurer le bruit en émission de la boîte quantique dans le régime Kondo avec des couplages aux réservoirs plus ou moins symétriques. Nos mesures posent le problème de l’asymétrie spatiale du bruit mesuré et semblent montrer que, plus le couplage aux réservoirs est symétrique, plus la résonance Kondo est affaiblie dans une situation hors équilibre. Enfin, ce dispositif a été utilisé afin de mesurer l’émission Josephson AC d’un nanotube avec des électrodes supraconductrices, afin de voir ce que devient la compétition entre l’effet Kondo et la supraconductivité à haute fréquence. Ces mesures révèlent une diminution de l’émission Josephson alors que l’on a un maximum de supercourant. / This thesis is dedicated to quantum transport through a Kondo impurity, formed in a carbon nanotube quantum dot. We probe the Kondo effect in two situations: in competition with the Josephson effect induced in the nanotube by superconducting contacts and through its high frequency emission. In a first experiment, we have introduced a nanotube in a SQUID in order to measure its supercurrent as a function of the superconducting phase across it. We have measured this quantity in the regime where the Kondo and superconducting correlations are of the same order of magnitude and shown that the ground state of the system, singlet or doublet (corresponding respectively to 0 and π junctions), is then controlled by the superconducting phase. We have also demonstrated that, if a second energy level participates in the transport of Cooper pairs, the 0-π transition is not anymore a first order one as it is the case when only one level is involved. In the second part of the thesis, the carbon nanotube is coupled, at some frequencies determined by a resonator, to a tunnel superconducting junction which is used as an on-chip high-frequency noise detector. This enables the measurement of the emission noise of the quantum dot in the Kondo regime, with reservoirs coupled either symmetrically or not to the dot. Our measurements raise the problem of the spatial asymmetry of the measured noise and seem to show that, the more symmetric is the coupling of the reservoirs to the dot, the more the Kondo resonance is weaken in an out-of-equilibrium situation. Finally, this setup has been used in order to measure the AC Josephson emission of a nanotube contacted with superconducting electrodes, in order to extend our investigation of the competition between the Kondo effect and superconductivity at high frequency. These measurements reveal a decrease of the Josephson emission observed together with a maximum of supercurrent.