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

Dans cette thèse, nous étudions d'un point de vue théorique différents aspects de la matière topologique. Ces systèmes présentent des propriétés résistantes aux éventuelles perturbations grâce à une topologie non-triviale de leur structure de bandes. En particulier, des excitations exotiques, par exemple des fermions de Majorana, peuvent apparaitre à leurs bords.L'entropie d'intrication, ainsi que le spectre d'intrication ont été fondamentaux dans l'étude théorique de ces systèmes, et plus généralement des phases libres. Il est cependant difficile de les mesurer expérimentalement. L'étude des fluctuations de charge bipartites a été proposée afin de remédier à ce problème, et celles-ci permettent une mesure faible de l'intrication, en particulier pour des modèles unidimensionnels libres. Nous généralisons les précédents travaux sur les Liquides de Luttinger à des familles génériques de supraconducteurs et isolants topologiques en une et deux dimensions, systèmes dans lesquels la charge observée n'est plus conservée. Nous montrons que les transitions de phases topologiques sont caractérisées par certains coefficients universels dans les fluctuations et les fonctions de corrélations. Les systèmes bidimensionnels que nous étudions présentent des cônes de Dirac, et ces coefficients dépendent de leur enroulement. Cela nous permet de caractériser la topologie de ces points critiques. Dans tous les cas, les fluctuations suivent une loi de volume, qui a un comportement non-analytique aux transition de phase.Dans un second temps, nous nous intéressons aux systèmes en interactions. Nous montrons tout d'abord que certaines des signatures des transitions topologiques survivent en leur présence, dans les supraconducteurs topologiques. Nous étudions ensuite le diagramme de phase de deux fils supraconducteurs couplés par une interaction Coulombienne. Celle-ci mène à la création de phases exotiques grâce à la compétition avec la supraconductivité non-conventionnelle. Nous montrons en particulier l'apparition de phases de Mott brisant spontanément la symétrie de renversement du temps et présentant des courant orbitaux non-triviaux, ainsi que celle d'une phase de fermions libres, qui est l'extension de deux chaînes de Majorana critiques en interaction.Enfin, nous nous intéressons aux effets de la présence de fermions de Majorana sur le transport électronique. Nous étudions un îlot supraconducteur où plusieurs de ces fermions existent. Ce système pourrait être l'un des composants élémentaires d'un éventuel ordinateur quantique. Les fermions de Majorana changent les statistiques d'échange des porteurs de charges, ce qui se traduit par une fractionnalisation de la conductance. Celle-ci se révèle très robuste face aux anisotropies et autres perturbations. Nous étendons les études précédentes au cas où le nombre d'électrons dans la boîte peut fluctuer, et montrons l'équivalence de ce problème avec le modèle Kondo à plusieurs canaux. Nous réinterprétons alors ce modèle en terme du déplacement d'une particule dans un réseau fictif dissipatif. / In this thesis, we study theoretically different aspects of topological systems. These models present resilient properties due to a non-trivial topology of their band structures, and in particular exotic edge excitations such as Majorana fermions.Entanglement entropy and entanglement spectrum have been fundamental to the study of these systems and of gapless systems in general, but are difficult to measure experimentally. Bipartite charge fluctuations were proposed as a weak measurement of this entanglement, in particular for one-dimensional gapless phases. We extend previous results on standard Luttinger Liquids to generic families of one- and two-dimensional non-interacting topological systems. Through exact computations, we show that their critical points are characterized by universal coefficients that reveal the topological aspect of the transitions. In two dimensions, the Dirac cones give quantized contributions to the fluctuations and various correlation functions. These contributions depend on their winding numbers, allowing for a precise determination of the topological structure of the gapless points. A volume law is also present and linked to the Quantum Fisher information, with characteristic non-analyticities at the phase transitions.In a second time, we include interactions and show that some of these signatures are preserved in topological superconductors even in their presence. Through analytical (bosonization, renormalization group) and numerical (exact diagonalization and DMRG) methods, we study the phase diagram of two Coulomb-coupled topological superconducting wires. We are interested in their behavior when the interactions are strong enough to break the topological protection: the interplay between unconventional superconductivity and interactions leads to exotic phases. We show the appearance of phases spontaneously breaking the time-reversal symmetry, with non-trivial orbital currents, and of an unusual gapless phase that is the extension of two critical interacting Majorana modes.Finally, we are interested in electronic transport mediated by Majorana fermions. We study a floating superconducting island carrying several such impurities. This device is thought to be a potential building block for a quantum computer. The Majorana fermions affect the statistics of the charge carriers, which leads to very resilient fractionalized transport. We extend previous studies to the charge degenerate case, where the total number of fermions in the island is not fixed, and map it to the well-known Multi-Channel Kondo model at large interaction. We reinterpret this standard model in terms of a particle moving in a highly dimensional, dissipative lattice.

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

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

Nous présentons dans ce mémoire deux travaux expérimentaux basés sur la formation d'images jumelles par des photons jumeaux : la mise en évidence d'un paradoxe de Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) sur des paires uniques d'images jumelles, et la réalisation d'une expérience d'imagerie fantôme temporelle quantique. Les photons intriqués générés par amplifications paramétrique du bruit quantique permettent la formation d'images à la distribution de photons analogue dans le plan image, et symétrique dans le plan de Fourier : les images jumelles. Dans un premier chapitre nous proposons une description préalable de ces images jumelles, basée sur l'étude des propriétés des faisceaux jumeaux, ainsi que leur acquisition par des caméras EMCCD dans un régime de comptage de photons. Dans le second chapitre, nous mettons en évidence un paradoxe EPR sur des paires uniques d'images jumelles, sans aucun recours à des moyennes temporelles ou propriétés issues de l'ensemble des images. Nous montrons que les intercorrélations de seules deux paires d'images jumelles, l'une acquises dans le plan image et l'autre dans le plan de Fourier, sont suffisantes pour obtenir un degré de paradoxe élevé.Dans le dernier chapitre, nous montrons une expérience d'imagerie fantôme temporelle quantique. Dans cette expérience, les images jumelles sont utilisées pour multiplexer spatialement un signal temporel non répétable. Lorsque l'acquisition de ce signal cause la perte de sa résolution temporelle, les corrélations dues aux photons jumeaux permettent sa reconstitution. / We present in this thesis two experimental works based on the formation of twin images by twin photons : evidence of Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) paradox on single pairs of twin images, and the demonstration of quantum temporal ghost imaging.Entangled photons generated by spontaneous parametric down conversion are used to generate images with a similar distribution of photons in the image plane, or symmetrical in the Fourier plane: the twin images. In a first chapter, we propose a description of the twin images, based on the study of the properties of twin beams, and their acquisition by EMCCD cameras in the photon counting regime.In the second chapter we provide a test of the EPR paradox in single pairs of twin images, without any temporal averaging or properties issued of a set of several images. We show that the intercorrelations of only two pairs of twin images, the first one acquired in the image plane and the other one in the Fourier plane, are sufficient to obtain a high degree of paradox.In the last chapter, we show an experiment of quantum temporal ghost imaging. In this experiment, twin images are used to spatially multiplex a nonreproducible time signal. Although it is acquired without temporal resolution, the photons correlations allow its retrieval.

Deux photons - deux atomes (2P2A) excitation s’avère être un banc de test importantde propriétés optiques quantiques. Depuis 1980, on sait que la probabilité de transition2P2A peut être grandement améliorée en utilisant la source monochromatique cohérenteavec la présence d’interactions atomiques qui induisent un pic de résonance de 2P2A. En2004 , Muthukrishnan et al. sont trouvés une grande amélioration de la transition ainsique d’une résonance de 2P2A, quand une source de deux photons intriqués, provenant dela radiation d’un atome cascade à trois niveaux, interagit avec les deux atomes différentsde l’ interaction. Leur conclusion est que : dans certaines situations, l’intrication peutremplacer un vrai hamiltonien d’interaction, qui est une déclaration de grande portée etune propriété importante liée à l’intrication. Ce phénomène mérite plus d’attention et defavoriser la compréhension. / Two-photonÐtwo-atom (2P2A) excitation turns out to be an important test bench of quantum optical properties. In 2004, Muthukrishnan et al. announced a great enhancement of the transition at 2P2A resonance, when an entangled two-photon state, coming from a three-level cascade, interacts with two non-interacting atoms. Their conclusion: in some situations, entanglement can replace a real interaction Hamiltonian, reveals an important property related to entanglement. In this thesis, We study in detail the efficiency of various multimode two-photon states of light to induce the simultaneous excitation of two atoms of different kinds under 2P2A resonance condition. We find that several separable, correlated states, produced either by an atomic cascade or parametric down-conversion, or even appropriate combinations of coherent states, have comparable efficiencies as the photon state produced by an atomic cascade. We conclude that the true physical origin of the enhancement is the frequency anti-correlations, neither the temporal correlations, time ordering, nor entanglement. To present, we are not sure whether or not the enhancement is a quantum effect. We also studied: 1. the optimized 2P2A transition probability for a given photon spectrum; 2. the influence coming from finite lifetimes of the excited detecting atoms; 3. the 2P2A transition probability in the presence of atomic interaction.

Cette thèse est consacrée à l'étude des matrices aléatoires et à quelques unes de leurs applications en physique, en particulier en physique statistique et en physique quantique.C'est un travail essentiellement analytique complété par quelques simulations numériques Monte Carlo. Dans un premier temps j'introduis la théorie des matrices aléatoires de façon assez générale : je définis les principaux ensembles de matrices aléatoires (en particulier gaussiens) et décris leurs propriétés fondamentales (distribution des valeurs propres, densité, etc). Dans un second temps je m'intéresse à des systèmes physiques d'interfaces à l'équilibre qui peuvent être modélisés par des marcheurs ''vicieux'', c'est-à-dire des marcheurs aléatoires conditionnés à ne pas se croiser. On peut montrer que la distribution des positions des marcheurs à un temps donné est exactement celle des valeurs propres d'une matrice aléatoire. J'étudie ensuite un problème physique qui relève d'un domaine très différent, celui de l'information quantique, mais qui est également étroitement relié aux matrices aléatoires: celui de l'intrication pour des états aléatoires dans un système quantique bipartite (fait de deux sous-parties) de grande taille. Enfin je m'intéresse à certaines propriétés des matrices aléatoires comme la distribution du nombre de valeurs propres positives ou encore la distribution de la valeur propre maximale (loi de Tracy-Widom près de la moyenne et grandes déviations loin de la moyenne).

Mon activité s'inscrit dans le cadre de l'information et de l'optique quantiques fondamentales et appliquées. L'axe principal concerne la réalisation des briques photoniques élémentaires utiles aux réseaux quantiques, qui permettent à la fois la communication longue portée et le traitement de l'information quantique. Ces briques, à base d'optique intégrée, permettent d'exploiter efficacement les interactions non−linéaires optique−optique et électro−optique induites par le fort confinement des champs optiques au sein des structures guidantes. L'apport de cette technologie représente un atout essentiel lorsqu'il s'agit d'implémenter une véritable ingénierie de l'intrication, qui est l'une des ressources fondamentales de l'information quantique. J'entreprends également une recherche exploratoire visant le stockage quantique au sein d'ensembles d'atomes froids via le transfert de l'information quantique portée par des photons sur une onde de spin imprimée sur les atomes.

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.

La partie I décrit une série d'expériences en information quantique avec des ions piégés. Ces résultats ont été obtenus au NIST, Boulder, Colorado (USA). La partie II présente des expériences sur des boites quantiques insérées dans des microcavités. Ces expériences ont eu lieu à l'Institut Néel - Université Joseph Fourier Grenoble I.