Nous avons étudié des systèmes hybrides supraconducteurs/ métal normal balistiques dont la partie normale est une hétérojonction GaAs/AlGaAs, et la partie supraconductrice de l'indium. C'est un système qui permet, grâce à la grande cohérence de phase et la possibilité d'utiliser des grilles, d'envisager la manipulation de paires corrélées dans la partie normale : une nouvelle approche de bits quantiques.<br />Nous avons mis au point un procédé de fabrication de jonctions S/N de très bonnes transparences, avec des dimensions mésoscopique, en faisant diffuser de l'indium. Le problème essentiel est lié à l'inhomogénéité de la diffusion de l'indium. Nous avons caractérisé l'interface par différents types de mesures de transport à très basses températures. Nous avons montré, d'une part que l'indium diffuse de façon directionnel, d'autre part, qu'il ne s'agit ni d'une jonction diffusive ni d'une jonction sale, mais d'une barrière tunnel dont seul un faible nombre de canaux participent à la conduction. Nous avons mis en évidence la présence d'une zone de désordre près de l'interface qui s'étend sur quelques centaines de nanomètres. La présence de filaments d'indium diffusés a été corroborée par l'observation sur des jonctions courtes d'un super courant porté par ces filaments. Nous avons enfin fait une première tentative de manipulation de paires de Cooper à l'aide d'un QPC : nous avons observé des plateaux de conductance en fonction de la tension de grille dont la hauteur est divisée par deux lorsqu'on applique un faible champ magnétique>

L'un des principaux accomplissements scientifiques du siècle dernier est sans doute le développement de la Physique Quantique. Parallèlement, notre société est entrée dans l'ère de l'information. Aujourd'hui, théorie de l'information et théorie quantique se recoupent sous un champ d'activité émergent : le traitement de l'information quantique. Ce domaine propose de tirer parti des corrélations subtiles entre états quantiques pour effectuer des opérations de communication ou de logique. Ces travaux de thèse s'inscrivent dans ce contexte. Ils visent la génération d'états quantiques de la lumière, pour tester les prévisions contre-intuitives de la mécanique quantique, mais aussi pour l'ingénierie de dispositifs de traitement de l'information quantique. Ces états quantiques sont des photons uniques indiscernables, rayonnés par des boîtes quantiques uniques. S'il est bien connu aujourd'hui que ces nano-émetteurs émettent des photons uniques, des processus rapides de décohérence propres à la physique du solide détériore l'indiscernabilité entre photons successivement émis. Pour restaurer l'indiscernabilité entre photons, le processus d'émission est accéléré en couplant la boîte au mode d'une microcavité optique (un micropilier), de sorte que les photons sont émis avant qu'ils ne soient marqués par les processus déphasants. Ainsi, nous avons pu produire des photons uniques avec un degré d'indiscernabilité supérieur à 75%. Ces photons sont alors sujets à des phénomènes d'interférence peu communs : lorsque deux photons sont incidents sur les deux ports d'entrée d'une lame séparatrice, les deux photons ressortent de la lame toujours sur le même port de sortie

Ce mémoire présente l'étude et la réalisation expérimentale de deux sources de paires de photons, intriqués en énergie-temps et en « time-bins », basées sur un guide d'ondes intégré sur un substrat de niobate de lithium polarisé périodiquement (PPLN). Dans les deux cas, les photons jumeaux sont créés par génération paramétrique à la longueur d'onde dégénérée de 1310 nm autorisant leur transport par fibre optique télécom.<br />Le guide PPLN montre une efficacité de conversion supérieure à 10-6, correspondant à une amélioration de 4 ordres de grandeur par rapport aux générateurs massifs. Même pompé par de faibles puissances, il présente une probabilité significative de créer deux paires simultanément ce qui est un avantage essentiel pour certains protocoles de communication quantique. Nous proposons à cet effet deux méthodes de caractérisation de la probabilité de créer une paire par photon de pompe (régime continu) ou par impulsion laser.<br />Afin d'examiner la qualité des états enchevêtrés, deux expériences d'interférométrie ont montré des taux de contraste respectifs de 97 % et de 84 % pour les intrications en énergie-temps et en time-bins. Bien que ce dernier taux puisse être amélioré, ces résultats montrent le fort potentiel des guides PPLN pour devenir l'un des éléments clés des futurs protocoles de communication quantique.

Le but de cette thèse est de développer des sources d’intrication photonique en vue d'applications en sciences information quantique. Dans ce contexte, nous présentons une source très performante et entièrement guidée permettant, au moyen d'une boucle de Sagnac, la génération d'états hyper-intriqués en polarisation et en énergie-temps. La configuration guidée rend le dispositif versatile, efficace et compatible avec une large bande spectrale, répondant ainsi au besoin des systèmes et réseaux de communication fibrés. À cette fin, nous avons distribué simultanément dans différents canaux télécoms des paires de photons hyper-intriqués au moyen de multiplexeurs en longueur d'onde à 5 canaux (DWDM), augmentant de fait le débit. La qualité de l'intrication est validée par la violation d'une inégalité de Bell étendue à un espace de Hilbert à 16 dimensions. Afin de pouvoir interfacer des photons aux longueurs d'ondes des télécommunications avec les bandes d'absorption des mémoires quantiques situées dans le visible, nous avons également développé une interface cohérente en longueur d'ondes. Un nouveau dispositif de métrologie quantique permettant la mesure avec une précision inégalée des effets de la dispersion chromatique dans les fibres optiques standards est également proposé. Notre approche "quantique" améliore la précision par un facteur 2.6 par rapport aux méthodes de mesures conventionnelles. Dans ce même contexte, nous avons aussi implémenté un nouveau protocole de métrologie de la phase de deux photons en ne détectant uniquement qu'un seul photon. Cette réalisation ouvre la voie à des applications potentielles simples s'appuyant sur peu de ressources au niveau de la détection. Finalement, dans la perspective de la miniaturisation de dispositifs quantiques, nous avons démontré un générateur d'intrication annoncée intégré sur puce qui trouve des applications en calcul et métrologie quantique. / The aim of this thesis was to develop photonic entanglement sources and study their implementation in the general field of quantum information technologies. To this end, a novel fully wave-guided, high performance photonic entanglement source is presented, able to generate hyper-entangled states in the observables of polarization and energy-time by means of a nonlinear Sagnac loop. The waveguide-based design makes it flexible, reliable, and adaptable to a wide spectral range, paving the way towards compact photonic entanglement generators, compatible with fiber-based communication systems and networks. This has been underlined by generating and distributing hyperentanglement in 5x2 dense wavelength division multiplexed channel telecom pairs, simultaneously, towards higher bit rates. The quality of the generated entanglement has been qualified by violating the Bell inequalities in a 16-dimension Hilbert space. Moreover, to adapt the wavelength of the entangled telecom photon pairs to the absorption wavelength of current quantum memory systems, a coherent wavelength converter is demonstrated. Furthermore, within the framework of quantum metrology, a new concept for a high-precision chromatic dispersion (CD) measurement in standard single mode fibers is introduced and demonstrated. In this demonstration, due to conceptual advantages enabled by quantum optics, an unprecedented 2.6 times higher accuracy on CD measurements is shown, compared to state-of-the-art techniques. In the same context, a new protocol for measuring two-photon phase shifts is performed using single photon detection only, promising scalable and potential real device applications with limited resources and simplified detection schemes. Finally, any potential application of quantum optics will be realized using small-scale devices. In this framework, an integrated on-chip heralded path entanglement generator is demonstrated, and shown to be adaptable to logic gate operations.

Cette thèse rapporte les mesures de transport réalisées sur des jonctions moléculaires à l'état solide large échelle, mettant en évidence des effets d'interférence quantique. Le premier chapitre pose les bases théoriques de ce phénomène et introduit le formalisme des fonctions de green hors équilibre adapté à la description du couplage molécules/interfaces métalliques. Le second chapitre présente l'état de l'art expérimental dans ce domaine et résume les principales expériences ayant permis de mettre en évidence des effets d'interférences à l'échelle moléculaire. Le troisième chapitre décrit les étapes de fabrication mises en place pour construire les dispositifs mesures pendant ce travail de thèse. Les résultats expérimentaux obtenus sur les mesures de conductance des jonctions moléculaires sont décrits dans le quatrième chapitre et compares a plusieurs modèles théoriques qui confirme la présence d'interférences quantiques. Le dernier chapitre aborde les effets de thermoélectricité qui peuvent avoir lieu dans ces jonctions en présence d'interférence / This thesis reports the transport measurement performed on large scale solid state molecular junctions, highlighting quantum interference effect. First chapter set the theoretical basis of such a phenomenon and introduces the out of equilibrium green's functions formalism which is adapted to the description of coupling molecules/metallic interfaces. Second chapter presents the corresponding experimental state of the art and summarizes the experiments that have contributed to highlight interference effect at the molecular scale. Third chapter describes the fabrication steps optimized to build the devices measured during the thesis work. Experimental results obtained on conductance measurements are described and compared to several theoretical models that confirm the presence of quantum interference. Last chapter deals with thermoelectric effect that can occur in presence of interference

Les expériences (e,2e) et (e,3e) constituent un outil privilégié pour étudier la dynamique de la simple et la double ionisation de petits systèmes par impact électronique, et plus généralement pour contribuer à la compréhension du problème de l'interaction à N-corps. Dans cette thèse, nous avons réalisé de telles expériences dans un domaine cinématique resté quasi-inexploré, où le transfert de moment à l'ion résiduel est important, de sorte que l'ion joue un rôle majeur dans le processus d'interaction projectile - cible. Les résultats expérimentaux sont comparés à ceux des modèles théoriques les plus sophistiqués. Nous avons mesuré les sections efficaces triplement différentielles (SETD) de simple ionisation de He et H2, ce qui a permis de mettre en évidence la présence pour la molécule H2 d'effets d'interférences quantiques de type fentes d'Young. Nous discutons ensuite des mesures de SETD de Ne et N2, ionisés sur une orbitale externe ou interne. Nos résultats ont permis de montrer l'importance des interactions postcollisionnelles et du rôle joué par le noyau. Enfin, nous avons étudié la compétition entre différents processus d'ionisation de l'argon : d'une part, simple ionisation (e,2e) en couche interne 2p, et d'autre part, double ionisation (e,3e) directe (3p-2) ou indirecte via le processus Auger impliquant la couche 2p. Dans les conditions cinématiques choisies, ces processus peuvent entrer en compétition ou interférer entre eux. L'accent est mis sur leur contribution respective, en particulier pour l'effet Auger. Diverses structures observées dans la distribution angulaire des sections efficaces (e,3e) sont attribuées à différents mécanismes d'ionisation.

Lors de ce travail de thèse, les mécanismes de double ionisation de l'argon par impact électronique incluant l'effet Auger ont été étudiés en fonction de l'énergie de l'électron<br />incident. Des sections efficaces cinq et six fois différentielles en angle et en énergie ont été mesurées et analysées en géométrie coplanaire.<br />La mise au point d'un nouvel analyseur toroïdal a permis d'améliorer l'efficacité de détection de l'ensemble du dispositif. La section efficace six fois différentielle où l'électron<br />Auger et l'électron éjecté ont des énergies identiques (205 eV) a ainsi été obtenue en première mondiale avec une cible d'argon, pour une énergie incidente de 956 eV.<br />Les modèles théoriques développés lors de ce travail représentent le triple continuum par un ensemble d'ondes coulombiennes décrivant les interactions entre les trois électrons de la voie de sortie et l'ion résiduel. Les effets d'échange entre les électrons ont aussi été inclus dans les modèles.<br />La confrontation des résultats expérimentaux et théoriques a permis de mettre en évidence la contribution relative de l'effet Auger et de la double ionisation directe sur la dépendance angulaire de la section efficace quintuplement différentielle, révélant en particulier une influence de l'effet Auger d'autant plus importante que l'énergie incidente est élevée.

Cette thèse s'articule autour de l'étude de la cohérence de la lumière produite à partir de sources de paires de photons intriqués et de micro-lasers. Nous avons produit et manipulé des états photoniques intriqués, et conduit des investigations à la fois fondamentales et appliquées. Les deux études menées sur les aspects fondamentaux de la non localité avaient pour but de relaxer partiellement deux contraintes sur lesquelles s'appuie l'inégalité de Bell standard en vue d'applications à la cryptographie quantique. Ainsi, en collaboration avec l'Université de Genève, nous avons redéfini la notion de localité en prenant en compte les influences sur les mesures de corrélations des choix des configurations expérimentales et d'une efficacité globale de détection limitée. Cela a permis de définir des inégalités de Bell généralisées et les violations expérimentales qui en découlent permettent d'attester de la non localité des états quantiques observés. Nous avons aussi étudié et mis en place une solution expérimentale autorisant l'émission de photons intriqués dans des pairs de canaux télécoms pour la cryptographie quantique. Nous avons montré la préservation de l'intrication sur 150 km et obtenu des débits records en comparaison avec les réalisations similaires. Enfin, nous avons étudié les propriétés de l’émission de lasers à semi-conducteurs aux dimensions réduites. L’émission de ces composants microscopiques s'accompagne de grandes fluctuations en intensité lorsque ceux-ci sont pompés en-dessous du seuil laser. Cette étude a permis de mieux comprendre comment se construit la cohérence laser dans ces systèmes. / In this thesis we study the coherence of light emitted by entangled photon-pair sources and micro-lasers. We have generated an manipulated entangled photonic states and investigated both fundamental (non locality) and applied (quantum cryptography) research directions. The objective of two fundamental studies on non locality was to partially relax the strong assumptions on which standard Bell tests rely. To this end, we redefined, in collaboration with the University of Geneva, the formalism of locality taking into account the influence, on correlation measurements, of the freedom of choice (in the basis settings) and of the limitation of the overall detection efficiency. Both assumptions allow devising generalized Bell inequalities whose experimental violations indicate that we can still attest for non locality for the observed states. In addition, we have studied and realized an experimental setup allowing to distribute entangled photon pairs in paired telecom channels for high bit rate quantum cryptography. We have shown that entanglement is preserved over a distance of 150 km with record rates for similar realizations, by mimicking classical network solutions exploiting, in an optimal fashion, the capacity of an optical fiber link via dense spectral multiplexing. Finally, we have studied the properties of light emitted by semiconductor lasers showing reduced dimensionality. This micro-lasers actually provide output light under high intensity fluctuations when they are pumped below the threshold. Their study allowed to refine our understanding on how the coherence builds up in these systems as the cavity is filled with photons.

Les effets de cohérence quantique sont au cœur de la physique mésoscopique : ils gouvernent le comportement des conducteurs dont la taille devient comparable à la longueur de cohérence de phase des électrons Lf.<br />Les expériences présentées dans cette thèse concernent les effets de la cohérence de phase électronique sur les propriétés de transport de conducteurs métalliques diffusifs.<br />Nous nous sommes d'abord intéressés aux mécanismes de déphasage électronique en mesurant la magnétorésistance de localisation faible de fils quasi-1D en or contenant des impuretés magnétiques de fer, à très basse température. Le comportement du temps de cohérence de phase électronique tf mesuré s'explique bien dans le cadre de la physique des impuretés Kondo, par la combinaison de l'effet Kondo à une impureté, et des interactions entre impuretés de type RKKY. Ce résultat est une contribution importante dans le débat sur la saturation de tf à très basse température.<br />Ensuite, nous avons étudié les oscillations quantiques de magnétoconductance, Altshuler-Aronov-Spivak (AAS), et Aharonov-Bohm (AB), dans des réseaux 2D d'anneaux en argent présentant différentes géométries. Notamment, à partir d'une théorie récente, nous avons extrait tf à partir des harmoniques de Fourier de l'oscillation AAS. La dépendance en température mesurée, différente de celle extraite d'un fil quasi-1D, laisse supposer un effet de la topologie sur le déphasage. Enfin, nous avons mesuré la dépendance en taille des amplitudes des oscillations AB et AAS dans des réseaux de 10^6 à 10 anneaux : lorsqu'une dimension du réseau devient inférieure à Lf, la moyenne d'ensemble des oscillations quantiques est non triviale, révélant que des interférences quantiques subtiles dominent le transport. C'est une signature spectaculaire de la transition dimensionnelle vers la physique mésoscopique.

La notion de cohérence, intimement liée à celle de dualité onde-corpuscule, joue un rôle central en mécanique quantique. Lorsque la cohérence quantique s'étend sur plusieurs particules au sein d'un système, la description en termes d'objets individuels devient impossible en raison des corrélations quantiques (ou intrication) qui se développent. Dans ce manuscrit, nous étudions les systèmes à l'équilibre, pour lesquels nous montrons que les fluctuations cohérentes viennent s'ajouter aux fluctuations prédites par des identités thermodynamiques valides pour les systèmes classiques. Au zéro absolu, les fluctuations cohérentes sont les seules à subsister, et nous étudions dans ce cas leur lien avec l'entropie d'intrication. Nous montrons en particulier qu'une hypothèse de température effective modulée spatialement rend compte de la structure de l'intrication au sein d'un système à N corps, et montrons comment cette température peut être extraite des corrélations usuelles. Nos résultats permettent par ailleurs une compréhension affinée des transitions de phase quantiques. Nous montrons par exemple que la transition entre un isolant de Mott bosonique et un superfluide donne lieu à une singularité de l'entropie d'intrication induite par les fluctuations d'amplitude de la phase du condensat. Nous identifions enfin une longueur de corrélation pilotant les lois d'échelles des fluctuations cohérentes au sein de l'éventail critique avoisinant une transition de phase quantique du second ordre, et proposons une ouverture vers les potentielles applications métrologiques de ces fluctuations cohérentes exceptionnellement fortes en nous appuyant sur l'exemple du modèle d'Ising. / The notion of coherence, intimately related to the notion of wave-particle duality, plays a central role in quantum mechanics. When quantum coherence extends over several particles inside a system, the description in terms of individual objects becomes impossible, due to the development of quantum correlations (or entanglement). In this manuscript, we focus on equilibrium systems, for which we show that coherent fluctuations add up to the fluctuations predicted by thermodynamic identities, valid for classical systems only. In the ground state, coherent fluctuations are the only ones to subsist, an in this case we study their relationship with entanglement entropy. We show in particular that an hypothesis of effective temperature, spatially modulated, captures the structure of entanglement in a many-body system, and we show how this temperature can be reconstructed from usual correlation functions. Our results also enable for a refined understanding of quantum phase transitions. We show in particular that the phase transition between a bosonic Mott insulator and a superfluid gives rise to a singularity of entanglement entropy induced by amplitude fluctuations of the phase of the condensate. We finally identify a coherence length governing the scaling behaviour of coherent fluctuations inside the quantum critical region in the finite-temperature vicinity of a quantum critical point, and open novel perspectives for the metrological advantage offered by the exceptional coherence which develops close to quantum critical points, based on the example of the quantum Ising model.