Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Cette thèse propose une justification pragmatiste de la mécanique quantique. Celle-ci consiste d'abord à dégager les fonctions que doit remplir toute théorie pour permettre aux physiciens de mener à bien leur activité de recherche en microphysique, puis à démontrer que la mécanique quantique est la seule théorie qui remplit exactement ces fonctions. L'approche pragmatiste défendue nous conduit en outre à resituer la description de la mesure dans le contexte de la pratique des physiciens et à mettre ainsi en évidence une rupture entre la phase de la prédiction théorique et celle du constat du résultat de mesure, laquelle délimite les domaines du possible et de l'actuel. Cette approche présente l'avantage de dissoudre le problème de la mesure, sans modifier le formalisme quantique et sans soulever de nouveaux problèmes.

Le sujet de cette thèse est une étude de tests du caractère quantique des systèmes de dimension supérieure à deux dans des conditions réalistes. La non-localité est une des propriétés quantiques utile pour des protocoles du domaine des communications quantiques. L’étude réalisée sur les effets de la décohérence (modèles de conditions réalistes) permet de rendre compte des moyens à mettre en oeuvre afin d’optimiser la conservation de la non-localité en pratique. La contextualité est une autre propriété quantique fondamentale avec un potentiel dans le domaine de traitement d’information quantique. Un test de contextualité a été développé pour toutes les dimensions de systèmes quantiques supérieures à deux. Une expérience prenant en compte les enjeux expérimentaux des tests de contextualité est aussi proposée. / The subject of this thesis is a study of tests of the quantum features of systems of dimension greater than two under realistic conditions. Non-locality is one of the quantum properties used in protocols in the field of quantum communications. The study on the effects of the decoherence (models ofrealistic conditions) address the issue of the conservation of non-locality in practice. Contextuality is another fundamental quantum property with a potential power in quantum information processing. A contextuality test has been developed for all dimensions of quantum systems greater than two. An experiment that considers the experimental issues of contextuality tests is also proposed.

L’information quantique peut être traitée de deux manières fondamentalement différentes: à l’aide de variables discrètes ou continues. Dans cette thèse, nous étudions de manière théorique la réalisation de protocoles d’information quantique dans les systèmes caractérisés par des variables continues. Pour ce faire, nous utilisons les variables modulaires comme outil afin de révéler des structures discrètes dans les états, opérations et observables. Le présent travail est fortement motivé par l’applicabilité expérimentale de nos idées dans des expériences d’optique quantique. Le thème principal de cette thèse est la formulation d’un cadre pour le traitement quantique de l’information dans l’espace des phases grâce aux variables modulaires. L’usage des variables modulaires permet d’encoder des états logique dans des espaces de Hilbert de dimension infinie et de définir des opérations qui permettent de les manipuler. En particulier, nous considérons des protocoles qui impliquent des mesures de variables modulaires qui permettent la lecture d’information discrète codée dans des variables continues. Grâce à ce formalisme, nous montrons comment il est possible de réaliser des tests des propriétés fondamentales de la mécanique quantique comme l’intrication, la non-localité ou la contextualité dans des espaces de Hilbert de dimensions finie ou infinie. Ensuite, nous discutons pourquoi les degrés de liberté transverse des photons sont des candidats naturels pour l’implémentation expérimentale des variables modulaires. À cet effet, nous démontrons comment il est possible d’utiliser l’effet Talbot - un effet d’interférence de champ proche - afin d’encoder de l’information discrète dans la distribution spatiales des photons. Finalement, nous montrons pour la première fois comment produire des photons intriqués de dimension arbitraire de manière déterministe en utilisant la conversion paramétrique et des éléments d’optique linéaire. / Quantum information can be processed in two fundamentally different ways, using either discrete- or continuous-variable implementations. In this thesis we study theoretically how to implement discrete quantum information protocols in physical objects characterized by continuous variables. In order to do so we use modular variables as a helpful tool to reveal discrete structures in continuous-variable states, operations and observables. The present work is strongly guided by the experimental applicability of our ideas in quantum optics experiments, with a particular focus on the transverse degrees of freedom of single photons. One of the main themes of this thesis is the formulation of a framework for quantum information processing in phase-space based on the use of modular variables. The latter permit us to introduce logical states and operations allowing to manipulate discrete quantum information encoded in infinite dimensional Hilbert spaces. In particular, we consider protocols that involve measurements of judiciously chosen logical observables enabling the readout of the encoded discrete quantum information. Based on this framework we show how to perform tests of fundamental properties of quantum mechanics, such as entanglement, Bell nonlocality and contextuality, in Hilbert spaces of various dimensions. Further on, we discuss the transverse degrees of freedom of single photons as a natural platform to manipulate and measure modular variables. In particular, we demonstrate how to process discrete quantum information encoded in the spatial distribution of single photons via the optical Talbot effect - a near-field interference effect. Finally, we show for the first time how to produce deterministically d-dimensional entangled photon pairs using spontaneous parametric down-conversion and linear optical elements only.

La mécanique quantique présente des propriétés étonnantes qui n'ont pas d'équivalent en physique classique. Ces propriétés sont au cœur des applications possibles de la mécanique quantique. Le thème principal de cette thèse est l'étude de deux des propriétés fondamentales de la mécanique quantique: la non-localité et la contextualité. Dans ce cadre, nous poursuivrons deux objectifs: premièrement, nous étudierons comment certains résultats obtenus pour les systèmes discrets peuvent être étendus aux systèmes décrits par des variables continues; deuxièmement nous étudierons comment il est possible de tester ces deux propriétés dans les systèmes quantiques décrits par des variables continues.Dans une première partie, nous étudions l'ensemble des distributions de probabilités locales et ``no-signaling'', c'est à dire qui ne permettent pas de transmettre d'information. Nous commençons par traduire le problème en terme de contraintes sur des espaces de mesures de probabilité. Nous introduisons ensuite un ensemble de mesures de probabilité qui sont les analogues en variables continues des probabilités découvertes par Popescu et Rohrlich dans le cas discret. Enfin, nous caractérisons l'ensemble des mesures de probabilité ``no-signaling''. Plus précisément, nous montrons que les mesures introduites sont des points extrémaux de l'ensemble des mesures de probabilité ``no-signaling'' et que leur enveloppe convexe est dense dans l'ensemble des mesures de probabilité ``no-signaling''. Dans une seconde partie nous nous intéressons à une preuve de la contextualité de la mécanique quantique dans une formulation qui ne dépend pas de l'état. Plus particulièrement, concernant l'inégalité de non-contextualité de Peres-Mermin, nous montrons qu'il est possible de la généraliser pour des observables définies sur des espaces de Hilbert de dimension arbitraire, voire infinie. Cette généralisation nous permet d'identifier les propriétés communes des observables qui conduisent à une violation maximale de l'inégalité de Peres-Mermin.En dernier lieu, nous nous intéressons à des états intriqués du champ électromagnétique de deux cavités. Ces états sont non-locaux et violent une inégalité de Bell formée de mesures de la parité déplacée. Nous étudions comment ces états peuvent être préparés et mesurés expérimentalement. Enfin, nous analysons l'effet des imperfections expérimentales et des pertes / Quantum mechanics has many intriguing properties that have no-classical analogs. These properties are at the heart of many quantum information protocols which offer the possibility to outperform their classical counterparts. This thesis is devoted to an investigation of two of the fundamental properties of quantum mechanics: non-locality and contextuality. The goal of this thesis is twofold. Firstly we will study how known results for discrete systems can be extended to continuous variables systems. Secondly, we will investigate how these properties can be tested in quantum systems characterized by continuous variables.Our work starts with an investigation of the set of local and no-signaling probability distributions. We develop a formalism for generic no-signaling black-box measurement devices with continuous outputs in terms of probability measures. We introduce the continuous-variable version of the famous Popescu-Rohrlich boxes and show that they violate the Tsirelson bound of an adequate continuous-variable Bell inequality. Finally, we perform a characterization of the geometry of the set of continuous-variable no-signaling correlations. More precisely, we show that the convex hull of those boxes is dense in the no-signaling set.We then study the contextuality of Quantum Mechanics in a state independent formulation. In particular, we study the Peres-Mermin state independent non-contextuality inequality, and show how it is possible to generalize the Peres-Mermin inequality to scenarios involving observables with an arbitrary number of outcomes. Specifically, we identify general conditions on the spectral decomposition of observables demonstrating state independent contextuality of quantum mechanics in this scenario.Lastly, we explore the non-local properties of entangled cat states, made of superpositions of coherent states stored in two spatially separated cavities. We show that even when taking into account the experimental imperfections such as the losses, a violation of local-realism is still possible, in the form of a violation of an appropriate Bell inequality