Le modèle de l'atome artificiel est l'image physique intuitive qui découle de la discrétisation du spectre énergétique des électrons, qui sont confinés dans les trois directions de l'espace dans une boîte quantique de semiconducteurs. Cette analogie avec les systèmes atomiques s'est révélée commode et fructueuse<br />pour étudier les propriétés électroniques et optiques des boîtes quantiques de semiconducteurs. Elle a conduit à des expériences élégantes qui utilisent les concepts de base de la physique quantique de systèmes élémentaires et qui montrent l'intérêt des boîtes quantiques pour l'information quantique.<br /><br />Ces expériences ont cependant toutes en commun d'utiliser des boîtes quantiques à basse température et les mesures de spectroscopie optique sont faites sur l'état excitonique fondamental de la boîte quantique. Cette constatation lève d'emblée le problème des limites de validité du modèle de l'atome artificiel dont l'utilisation, certes fertile, semble pourtant se resteindre à des conditions expérimentales très précises.<br /><br />Dans ce document, nous allons aborder plus généralement l'étude des propriétés électroniques et optiques de boîtes quantiques dans le système modèle de nanostructures auto-organisées InAs/GaAs afin de cerner les limites de validité du modèle de l'atome artificiel.

Ce mémoire résume mon activité de recherche de 1990 à 2002. Les travaux portent sur les sujets suivants:<br />Coopérativité et corrélations dans les états atomes-champ<br />Réduction du bruit quantique par la superrradiance à deux photons<br />Atomes froids et fluctuations quantique<br />Condensation de Bose Einstein<br />Effets mécaniques des fluctuations du vide<br />Effet Casimir<br />Décohérence due ondes gravitationnelles

Nous nous intéressons à l'effet des fonds d'ondes gravitationnelles sur la polarisation de la lumière et aux conséquences induites sur des systèmes dans lesquels l'information est portée par la polarisation de photons. A cet effet, nous construisons l'approximation eikonale sur un espace courbe et étudions l'évolution des objets obtenus dans un bain d'ondes gravitationnelles. Nous développons alors un formalisme géométrique permettant de construire efficacement les observables physiques associées à un système optique, puis d'exprimer et d'évaluer ces observables en fonction des perturbations gravitationnelles. Nous montrons ainsi que pour des dispositifs de type EPR où l'évolution de la phase n'affecte pas les mesures, l'effet des ondes gravitationnelles sur les polarisations des photons est trop faible pour détruire les corrélations ce qui garantit la possibilité d'utiliser des corrélations EPR dans le cadre de communications spatiales.

La première partie de cette thèse est consacrée à l'élaboration théorique de<br />processus adiabatiques permettant l'implémentation de portes logiques<br />quantiques, les constituants élémentaires des ordinateurs quantiques, par<br />l'interaction de champs laser impulsionnels avec des atomes. L'utilisation de<br />techniques adiabatiques permet des implémentations robustes, i.e. insensibles<br />aux fluctuations des paramètres expérimentaux. Les processus décrits dans cette<br />thèse ne nécessitent que le contrôle précis des polarisations et des phases<br />relatives des champs lasers. Ces processus permettent l'implémentation d'un<br />ensemble universel de portes quantiques, autorisant l'implémentation de toute<br />autre porte quantique par combinaisons.<br />La seconde partie de cette thèse concerne les effets de la décohérence par<br />déphasage sur le passage adiabatique. La formule de probabilité de transition<br />d'un système à deux niveaux tenant compte de ces effets décohérents est établie.<br />Cette formule est valable dans les différents régimes, diabatique et<br />adiabatique, et permet d'établir les paramètres de trajectoires elliptiques<br />optimisant le transfert de population.

On commence dans le chapitre d'introduction par rappeler les résultats majeurs sur l'intrication et les systèmes quantiques ouverts. Puis en particulier on prouve la désintrication en temps fini pour deux qubits (systèmes quantiques à deux niveaux d'énergie) en interaction avec des bains thermiques distincts à température positive. On propose dans le premier chapitre de cette thèse une méthode pour empêcher la désintrication en temps fini basée sur des mesures continues sur les bains et utilisant la théorie des sauts quantiques et celle des équations différentielles stochastiques. Dans le deuxième chapitre on étudie un sous-ensemble des états de deux qubits : celui des états qu'on peut représenter dans la base canonique pour une matrice ayant une forme de X. Cela nous permet d'obtenir des formules explicites pour la décomposition d'un état X séparable en au plus cinq états purs produits. On généralise ensuite cette étude à l'ensemble des états obtenus à partir d'états X par conjugaison avec des unitaires locaux. Puis on donne un algorithme pour décomposer tout état séparable de cet ensemble en une combinaison convexe de cinq états purs produits. Le troisième chapitre de cette thèse propose l'étude de l'évolution de l'intrication de deux qubits dans un modèle d'interactions répétées avec la même chaîne de spins dans les limites de van Hove et de couplage singulier. En particulier on observe une intrication asymptotique non nulle quand la chaîne est à température infinie et des phénomènes de création d'intrication quand la chaîne est à température nulle.

On commence dans le chapitre d'introduction par rappeler les résultats majeurs sur l'intrication et les systèmes quantiques ouverts. Puis en particulier on prouve la désintrication en temps fini pour deux qubits (systèmes quantiques à deux niveaux d'énergie) en interaction avec des bains thermiques distincts à température positive. On propose dans le premier chapitre de cette thèse une méthode pour empêcher la désintrication en temps fini basée sur des mesures continues sur les bains et utilisant la théorie des sauts quantiques et celle des équations différentielles stochastiques. Dans le deuxième chapitre on étudie un sous-ensemble des états de deux qubits : celui des états qu'on peut représenter dans la base canonique pour une matrice ayant une forme de X. Cela nous permet d'obtenir des formules explicites pour la décomposition d'un état X séparable en au plus cinq états purs produits. On généralise ensuite cette étude à l'ensemble des états obtenus à partir d'états X par conjugaison avec des unitaires locaux. Puis on donne un algorithme pour décomposer tout état séparable de cet ensemble en une combinaison convexe de cinq états purs produits. Le troisième chapitre de cette thèse propose l'étude de l'évolution de l'intrication de deux qubits dans un modèle d'interactions répétées avec la même chaîne de spins dans les limites de van Hove et de couplage singulier. En particulier on observe une intrication asymptotique non nulle quand la chaîne est à température infinie et des phénomènes de création d'intrication quand la chaîne est à température nulle. / In the introductory chapter we first give the major results about entanglement and open quantum systems. In particular we give the proof of entanglement sudden death (ESD) for two qubits (two level quantum systems) interacting with their own heat bath at positive temperature. We propose in the first chapter a method to protect qubits against ESD, based on continuous measurements of the baths and using the theory of quantum jumps and stochastic differential equations. In the second chapter, we study a subset of two qubits states : the set of states that we can represent in the canonical basis by an X-form matrix. We also give explicit formulas for decompositions of a separable X-state in a convex sum of five pure product states. We generalize this study to the set of states obtained from X-states by a conjugation with local unitary operators. Furthermore, we give an algorithm to decompose a separable state of this set in a convex sum of five pure product states. Finally, in the third chapter we study entanglement of two qubits in a model of repeated interactions with the same spin chain in the van Hove and singular coupling limits. In particular we observe non zero asymptotic entanglement when the chain is at infinite temperature and phenomenons of entanglement sudden birth when the chain is at zero temperature.

Une théorie de gravitation quantique propose de décrire l'interaction gravitationnelle à toutes les échelles de distance et d'énergie. Cependant, comprendre l'émergence de notre espace-temps classique reste un problème toujours ouvert. Cette thèse s'y attaque en gravité quantique à boucles à partir d'outils de l'information quantique.Ceci est fait en plusieurs étapes. La gravité quantique à boucles étant toujours une théorie en cours de développement, un point de vue pragmatique est adopté en étudiant une classe d'état physique du champ gravitationnel, motivée à la fois par des intuitions simples et les résultats de la physique à N corps. Une analyse de la reconstruction de la géométrie à partir des corrélations peut être faite et des leçons peuvent être tirées sur la forme de la dynamique fondamentale. Dans un second temps, la physique des sous-systèmes est analysée en commençant d'abord par évaluer l'entropie d'intrication entre l'intérieur et l'extérieur de la région, permettant ainsi de retrouver la loi holographique de l'entropie des trous noirs et donnant une forme possible des états holographiques de la théorie. Plusieurs dynamiques de la frontière, vu comme un système isolé ou ouvert, sont ensuite analysées, éclairant de nouveau la forme de la dynamique fondamentale. Enfin, la dernière étape de ces recherches étudie la dynamique de la frontière en interaction avec un environnement formé des degrés de liberté (de matière ou gravitationnels) formant le reste de l'Univers et la décohérence sur la frontière qu'il induit. Ceci permet de discuter la transition quantique/classique et de mettre en lumière, dans un modèle donné, les états pointeurs de la géométrie. / A quantum theory of gravitation aims at describing the gravitational interaction at every scales of energy and distance. However, understanding the emergence of our classical spacetime is still an open issue in many proposals. This thesis analyzes this problem in loop quantum gravity with tools borrowed from quantum information theory.This is done in several steps. Since loop quantum gravity is still under construction, a pragmatic point of view is advocated and an ansazt for physical states of the gravitational field is studied at first, motivated from condensed matter physics and simple intuitions. We analyze the proposal of reconstructing geometry from correlations. Lessons on the quantum dynamics and the Hamiltonian constraint are extracted. The second aspect of this work focuses on the physics of sub-systems and especially the physics of their boundary. We begin by calculating the entanglement entropy between the interior and the exterior of the region, recovering the holographic law known from classical black hole physics. Then different boundary dynamics are studied, both in the isolated and open cases, which shed lights again on the fundamental dynamics. Finally, the last aspect of this research studies the dynamics of the boundary interacting with an environment whose degrees of freedom (gravitational or matter) forming the rest of the Universe and especially the decoherence it induces. This allows to discuss the quantum to classical transition and understand, in a given model, the pointer states of geometry.

Hybridization of quantum emitters and plasmonic nanostructures has attracted much attention over the last years, due to their potential use as plasmon-based nanolasersor to achieve long-range quantum bit entanglement. Recent theoretical studies suggest that the plasmonic field can induce efficient cross-talking between emitters and lead to the formation of collective superradiant states. In this thesis, we developed a theoretical modelable to analyse collective effects in large ensemble of dipoles coupled by an electromagnetic nanoresonator. We experimentally investigated the plasmon-mediated superradiance of organic emitters grafted at a well-controlled distance from a metal nanosphere at room temperature. We report on the measured decay rates of these hybrid structures at the ensemble and single object levels. We find that the decay rate increases i) with the number ofemitters and ii) as the spacing between the emitters and the metal core decreases, a direct and clear evidence of plasmonic superradiance. This trend was observed for two types of hybrid structures, differing both by the size of the metal core and the type of organic dye used as emitter. The observation of plasmonic superradiance at room temperature opens questions about the robustness of these collective states against decoherence mechanisms.This robustness is of major interest for potential applications of quantum systems at room temperature. / Placer des nanostructures plasmoniques à proximité d’émetteurs quantiques est une approche prometteuse pour concevoir des nanolasers plasmoniques ou réaliser l’intrication de bits quantiques à longue distance. Des études théoriques récentes suggèrent que le champ plasmonique peut induire un couplage efficace entre émetteurs et mener à la formationd’états collectifs superradiants. Dans ce travail de thèse, nous avons développé un modèle théorique afin d’analyser les effets collectifs pour un ensemble de dipoles couplés à un nanorésonateur électromagnétique. Nous avons étudié expérimentalement la superradiance plasmonique d’émetteurs organiques greffés à une distance contrôlée d’une nanosphère metallique,à température ambiante. Nous avons mesuré le taux de relaxation de ces structures hybrides, en ensemble et à l’échelle de l’objet unique. Nous observons que le taux de relaxation augmente i) avec le nombre d’émetteurs et ii) lorsque la distance entre les émetteurs et le coeur métallique diminue, une preuve directe et claire de la superradiance plasmonique.Cette tendance a été observée pour deux types de structure hybride, différentes par la taille du coeur métallique et par le type de molécule utilisée comme émetteur. L’observation de la superradiance plasmonique à température ambiante ouvre des questions sur la robustesse d’un état superradiant contre des mécanismes de décohérence. Cette robustesse présente un intérêt majeur pour des applications potentielles de systèmes quantiques à température ambiante.

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.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.