Le but de cette thèse est de développer des sources d'intrication photonique pour étudier les réseaux de communication quantique et l'optique quantique fondamentale. Trois sources très performantes sont construites uniquement autour de composants standards de l'optique intégrée et des télécommunications optiques. La première source génère de l'intrication en polarisation via une séparation deterministe des paires de photons dans deux canaux adjacents des télécommunications. Cette source est donc naturellement adaptée à la cryptographie quantique dans les réseaux à multiplexage en longueurs d'ondes. La seconde source génère, pour la première fois, de l'intrication en time-bins croisés, autorisant l'implémentation de crypto-systèmes quantiques à base d'analyseurs passifs uniquement. La troisième source génère, avec une efficacité record, de l'intrication en polarisation via un convertisseur d'observable temps/polarisation. La bande spectrale des photons peut être choisie sur plus de cinq ordres de grandeur (25 MHz - 4 THz), rendant la source compatible avec toute une variété d'applications avancées, telles que la cryptographie, les relais et les mémoires quantiques. Par ailleurs, cette source est utilisée pour revisiter la notion de Bohr sur la complémentarité des photons uniques en employant un interféromètre de Mach-Zehnder dont la lame s ́eparatrice de sortie se trouve dans une superposition quantique d'être à la fois présente et absente. Enfin, pour adapter la longueur d'onde des paires des photons télécoms intriqués vers les longueurs d'ondes d'absorption des mémoires quantiques actuelles, un convertisseur cohérent de longueur d'onde est présenté et discuté.

Cette thèse porte sur l'étude de la transmission par diffusion multiple de deux photons intriqués à travers un milieu désordonné. Ce travail théorique fait intervenir deux branches de la physique qui sont l'optique quantique et la physique ondulatoire en milieu aléatoire.Dans le premier chapitre, nous donnons les outils théoriques d'optique quantique nécessaires à la compréhension du travail exposé. Après une présentation de la quantification de la lumière dans un milieu ouvert, nous introduisons les principaux états quantiques de la lumière qui sont utilisés dans cette thèse. Dans un second temps, nous présentons la plus importante propriété des états quantiques étudiés, l'intrication quantique. Après une introduction générale, le concept d'intrication entre particules indistinguables est discuté.Étant donné le caractère aléatoire du milieu dans lequel la lumière se propage, les observables physiques considérées dans cette thèse doivent être étudiées statistiquement. De ce fait, le second chapitre présente une approche statistique de la diffusion de la lumière en milieu aléatoire. Nous considérons dans un premier temps une description microscopique de la diffusion multiple basée sur le formalisme de la fonction de Green. Par la suite, nous nous intéressons à une description macroscopique faisant intervenir la matrice aléatoire de diffusion.Dans le troisième chapitre, nous étudions la figure de tavelures à deux photons qui apparaît dans les mesures de coïncidences. Nous commençons par introduire les principales propriétés de l'état à deux photons considéré et discutons ensuite la cohérence de cet état de la lumière. Par la suite, nous présentons une analyse détaillée de la figure de tavelures obtenue par transmission d'un état à deux photons possédant un spectre fréquentiel large à travers un milieu désordonné. Nous discutons de la possibilité ou non d'observer dans les mesures de coïncidences des signatures du caractère non-classique de la lumière. Finalement, nous calculons la visibilité des figures de tavelures à un et deux photons et montrons comment l'intrication initiale modifie cette visibilité.Pour terminer, nous développons une nouvelle approche théorique permettant de quantifier la quantité moyenne d'intrication de l'état diffusé à travers un milieu aléatoire. En utilisant la théorie des matrices aléatoires, nous dérivons la décomposition de Schmidt de l'état diffusé qui possède une certaine quantité d'intrication. Nous montrons comment la statistique du milieu désordonné influence la densité des valeurs propres de Schmidt et quantifions l'intrication transmise grâce différentes mesures d'intrication telles que l'entropie de von Neumann des valeurs propres de Schmidt et le nombre de Schmidt. / This thesis deals with the transmission by multiple scattering of high-dimensional bipartite entangled states of light through a random medium. This theoretical work merges two branches of physics, quantum optics and wave physics in random media.In the first chapter, we provide the basic toolbox of quantum optics required to understand further work. After a presentation of the quantization of light in an open medium, we introduce the main quantum states of light that are studied in the thesis. Then, we present the most important properties of quantum states, the quantum entanglement. After a general introduction, the still debated concept of entanglement between indistinguishable particles is presented and discussed.Because of the randomness of the medium in which the light propagates, the observables considered in this thesis have to be treated statistically. Hence, the second chapter presents a statistical approach to the multiple scattering of light. We first consider a microscopic description of the multiple scattering based on the so-called Green's function formalism and then turn to a macroscopic description which uses the random S-matrix formalism.In the third chapter, we study the two-photon speckle patterns appearing in coincidence measurements. We first introduce the main properties of the two-photon state that we consider and discuss the coherence of the two-photon light. Then, a detailed analysis of the two-photon speckle pattern obtained with a broadband two-photon state incident on a disordered medium is given. We discuss whether or not signatures of non-classical light can be seen in coincidence measurements. Finally, we calculate the visibility of the one- and two-photon speckle patterns and show how the entanglement present in the incident state affects these visibilities.Finally, we develop a new theoretical approach to quantify the average amount of entanglement in the scattered state. Using the random matrix theory, we derive the Schmidt decomposition of the scattered entangled state. We show how the statistics of the disorder impacts on the density of the Schmidt eigenvalues and quantify the entanglement through several measures of entanglement like the von Neumann entropy of Schmidt eigenvalues and the Schmidt number.

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.

Les pères fondateurs de la mécanique quantique exploraient les implications de leur théorie avec des "expériences de pensée". Les améliorations continuelles en matière de manipulation de systèmes quantiques individuels ont ouvert la voie à des recherches théoriques et expérimentales. C'est la base de l'information quantique: quand un contenu informationnel est associé à des transformations et mesures sur des systèmes quantiques, cela offre un nouveau paradigme à la théorie de l'information. Une des promesses de l'information quantique est la réalisation d'un internet quantique: des liaisons quantiques permettraient de partager des états quantiques entre les noeuds du réseau. Le contexte de notre travail est l'optique quantique expérimentale dans des fibres optiques aux longueurs d'onde des télécommunications, avec comme perspective des applications en communication quantique. Nous démontrons une nouvelle méthode pour manipuler des photons intriqués en énergie-temps, en utilisant des composants fibrés et optoélectroniques standard. Les photons produits par paires par une source de conversion paramétrique sont envoyés dans des modulateurs de phase électro-optiques indépendants, qui agissent comme des diviseurs de faisceau en fréquence. Nous utilisons ensuite des filtres fréquentiels et des détecteurs de photons uniques pour discriminer les fréquences des photons. Nos résultats expérimentaux incluent l'obtention d'interférences à deux photons robustes, à haute visibilité et à haute dimension, qui permettent la violation d'inégalités de Bell. Cela montre qu'une telle "intrication en bins fréquentiels" est une plate-forme intéressante pour la communication Quantique. / The founding fathers of quantum mechanics explored the implications of their theory with "gedanken experiments". Continuous improvement of the experimental manipulation of individual quantum systems has opened the way to exciting research, both on blackboards and in laboratories. lt is the basis for quantum information processing : when an information content is associated with transformations and measurements of quantum systems, it offers a new paradigm, full of potentialities, to information theory. One of the promises of quantum information is the realization of a quantum internet: quantum communication links would allow to share quantum states between the nodes of the network.Our work lies in the context of experimental quantum optics in optical fibers at telecommunication wavelengths, in view of quantum communication applications. We demonstrate a new method for manipulating photons entangled in their energy-time degree of freedom, by using standard fiber-optic and optoelectronic components. The photon pairs produced by a parametric down-conversion source are sent through independent electro­optic phase modulators, which act as high-dimensional frequency beam splitters. We then use frequency filters and single-photon detectors to discriminate the frequencies of the photons. Our experimental results include robust, high-visibility and high-dimensional two­photon interference patterns allowing Bell inequality violations. This shows that such a "frequency -bin entanglement" provides an interesting platform for quantum communication.

Ce travail a pour objet d'évaluer l'apport de la physique quantique à la compréhension du phénomène de la conscience. Les modèles « classiques » de la conscience proposés actuellement laissent en suspens deux questions importantes: (a) l'explication de la synchronisation de régions éloignées du cerveau qui semble nécessaire à la construction de percepts conscients ; (b) la question du fossé explicatif qui existe entre l'expérience subjective, relevant de ce que le sujet est capable de ressentir de façon privée, et la description de ses corrélats neurophysiologiques dans le langage de la science, à la troisième personne. Les approches quantiques de la conscience sont systématiquement exposées et critiquées. Le « modèle dissipatif du cerveau »proposé par Vitiello et Freeman semble corroborer les données expérimentales et pourrait ainsi contribuer à résoudre cette dernière question (a). Ce modèle utilise une propriété fondamentale de la théorie quantique des champs selon laquelle la brisure spontanée de symétrie au sein d'un système physique donne lieu à l'émergence d'une dynamique collective pour ce système. Les modèles, relavant de la conception du monismeneutre, qui ont développés par Bohm et Hiley, et, plus récemment, par Atmanspacher et Primas, utilisent la théorie quantique pour son pouvoir expressif (concepts de complémentarité et d'intrication) et non comme une théorie de la seule matière pour bâtir une représentation unificatrice du phénomène de la conscience. Ils permettent de dissoudre la question (b) du fossé explicatif. Nous proposons enfin de prolonger et d'appliquer,plus généralement, ce mode de représentation au domaine psychosomatique. / This work aims to assess the contribution of quantum physics to the understanding of the phenomenon ofconsciousness. The "classical" models of consciousness cannat deal with two important questions: (a) thesynchronisation of distant parts of the brain which seems necessary to the construction of conscious percepts;(b) the question of the explanatory gap that exists between subjective experience, which is a private feeling, andthe description of its neurophysiological correlates in the language of science, at the third persan. The quantumalternatives of current models of consciousness are systematically exposed. Vitiello's and Freeman's "dissipativemadel of the brain" seem to corroborate experimental data and could thus contribute to solve question (a). Thismadel appeals to a fundamental property of quantum field theory according to which a spontaneous symmetrybreaking in a physical system (as it happens, the breaking of the rotational symmetry of dipolar molecules of thebrain) gives rise to a collective dynamics for this system. The models, relevant to the neutra! monism conception,that have been developed by Bohm and Hiley and, more recently, by Atmanspacher and by Primas use quantumtheory for its expressive power (concepts of complementarity and entanglement) to build a unifyingrepresentation of the phenomenon of consciousness. They lead to the dissolution of the question (b) of theexplanatory gap. ln the end, we suggest to extend this mode of representation and to apply it, more generally, tothe psychosomatic domain.

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.

Le thème central de cette thèse cumulative est l’étude de l’intrication multi-partite quantique pour des systèmes de dimension finie. Nous avons developpé un algorithme numérique basé sur un problème d’optimisation semi-définie, qui permet de décider si un état est intriqué ou pas en un nombre fini d’itérations. Cet algorithme est une extension d’algorithmes déjà connus qui ne permettent pas de conclure lorsque l’état en question est séparable. Dans notre cas, si l’état est séparable, l’algorithme permet d’obtenir une décomposition de l’état en une mixture d’états séparables. Ces résultats ont été obtenus en exploitant la correspondance entre le problème de l’intrication et le problème des moments tronqués (truncated moment problem). Nous avons aussi développé une nouvelle manière d’exprimer l’état partiellement transposé d’un état symétrique de plusieurs qubits, simplifiant par la-même nombre de résultats bien connus en théorie de l’intrication.Cette nouvelle manière d’écrire le critère de transposée partielle unifie différentes interprétations et formulations alternatives dudit critère, et fait partie intégrante de notre algorithme d’optimisation semi-définie.Nous avons aussi étudié en détails les propriétés géométriques des états intriqués de deux qubits : nous avons pu répondre à la question de savoir à quelle distance un état pur est de l’enveloppe convexe des états symétriques et séparables, en donnant une formule explicite de l’état symétrique et séparable le plus proche — la distance étant celle de Hilbert-Schmidt. Pour les états mixtes nous avons pu obtenir et une borne supérieure numérique et une borne inférieure analytique pour cette distance. Pour un plus grand6nombre de qubits, nous nous sommes intéressés à la boule des états absolument classique,c’est à dire des états symétriques de plusieurs qubits qui restent séparables sous n’importe quelle transformation unitaire. Nous avons trouvé une borne inférieure analytique pour le rayon de cette boule autour de l’état maximallement mixte ainsi qu’une borne supérieure numérique, cette dernière ayant été obtenue en cherchant un état intriqué aussi proche que possible de l’état maximallement mixte.La représentation tensorielle d’un état symétrique de plusieurs qubits, autrement dit de l’état d’un spin j, nous a permis d’étudier des propriétés de l’intrication en nous basant sur le spectre du tenseur (valeurs propres du tenseur). Le caractère défini du tenseur est relié à l’intrication de l’état qu’il représente, donnant la possibilité de détecter la présence d’intrication à l’aide de la valeur propre minimale du tenseur. Toutefois, les valeurs propres du tenseur sont autrement plus compliquée à calculer que les valeurs propres matricielle, rendant l’analyse numérique plus délicate. La relation entre la valeur propre minimale du tenseur et la quantité d’intrication présente dans l’état a aussi été étudiée.Il en ressort que les deux quantités sont étroitement corrélées pour des systèmes de petite taille, c’est à dire jusqu’à six qubits. L’étude de ces corrélations a nécessité une méthode indépendante pour jauger de la quantité d’intrication présente dans un état. Pour cela nous avons amélioré des méthodes numériques pour déterminer la distance entre un état et l’ensemble composé des états symétriques et séparables, en utilisant une combinaison d’algorithmes d’optimisation quadratique et d’optimisation linéaire. La représentation tensorielle des états symétriques de plusieurs qubits a aussi été utilisée pour définir formellement une nouvelle classe de tenseurs, appellés "regularly decomposable tensors",qui correspond à l’ensemble des états symétriques et séparables de plusieurs qubits. / The main topic of this compilation thesis is the investigation of multipartite entanglement of finite dimensional systems. We developed a numerical algorithm that detects if a multipartite state is entangled or separable in a finite number of steps of a semi-definite optimization task. This method is an extension of previously known semi-definite methods, which are inconclusive when the state is separable. In our case, if the state is separable, an explicit decomposition into a mixture of separable states can be extracted. This was achieved by mapping the entanglement problem onto the mathematically well studied truncated moment problem.Additionally, a new way of writing the partially transposed state for symmetric multi-qubit states was developed which simplifies many results previously known in entanglement theory. This new way of writing the partial transpose criterion unifies different interpretations and alternative formulations of the partial transpose criterion and it is also a part in the aforementioned semi-definite algorithm.The geometric properties of entangled symmetric states of two qubits were studied in detail: We could answer the question of how far a given pure state is from the convex hull of symmetric separable states, as measured by the Hilbert-Schmidt distance, by giving an explicit formula for the closest separable symmetric state. For mixed states we could provide a numerical upper and analytical lower bound for this distance.For a larger number of qubits we investigated the ball of absolutely classical states, i.e.~symmetric multi-qubit states that stay separable under any unitary transformation. We found an analytical lower bound for the radius of this ball around the maximally mixed symmetric state and gave a numerical upper bound on this radius, by searching for an entangled state as close as possible to the maximally mixed symmetric state.The tensor representation of a symmetric multi-qubit state, or spin-$j$ state, allowed us to study entanglement properties based on the spectrum of the tensor via tensor eigenvalues. The definiteness of this tensor relates to the entanglement of the state it represents and, hence, the smallest tensor eigenvalue can be used to detect entanglement. However, the tensor eigenvalues are more difficult to determine than the familiar matrix eigenvalues which made the investigation computationally more challenging.The relationship between the value of the smallest tensor eigenvalue and the amount of entanglement in the state was also investigated. It turned out that they are strongly correlated for small system sizes, i.e.~for up to six qubits. However, to investigate this correlation we needed an independent way to gauge the amount of entanglement of a state and in order to do so we improved existing numerical methods to determine the distance of a state to the set of separable symmetric states, using a combination of linear and quadratic programming.The tensor representation of symmetric multi-qubit states was also used to formally define a new tensor class of regularly decomposable tensors that corresponds to the set of separable symmetric multi-qubit states.

La détection de l’intrication est une étape indispensable dans le contexte de l’information et du calcul quantique. Cette tâche importante s’est avérée difficile pour les systèmes quantiques de grandes dimensions supérieures à 2 × 3, auquel cas il existe des conditions nécessaires et suffisantes bien établies.Notre approche consiste à réduire la dimensionalité du problème. Pour ce faire, on transforme, localement, chaque sous-système en un qubit sans créer de l’intrication. Le mapping est exprimé en fonction des valeurs moyennes de trois opérateurs arbitraires dans l’état original. Nous donnons des conditions nécessaires et suffisantes pour que cette transformation soit valide d'un point de vue physique. Nous exploitons ce formalisme pour dériver des critères d’intrication pour des systèmes bipartites ou multipartites sur la base des critères existants pour les qubits.En transformant localement chaque sous-système, l’application de critères d’intrication connus pour les qubits à l’état résultant induit automatiquement des critères d’intrication en fonction d’opérateurs utilisés pour réaliser le mapping.Pour le cas multipartite, on s’intéresse aux inégalités de compression de spin. Cependant, lorsqu’on applique notre formalisme à ce cas, il est possible d’obtenir une superposition cohérente d’états avec un nombre de particules différent. Par conséquent, pour obtenir de meilleurs critères, nous avons dû prendre en compte les fluctuations quantiques et/ou classiques que l’opérateur du nombre de particules peut présenter. Nous avons dérivé une forme généralisée des inégalités de spin squeezing pour un nombre de particules fluctuant et opérateurs collectifs arbitraires. Nous avons appliqué nos résultats à un système d’atomes de chrome ultrafroids piégés dans un réseau optique, en collaboration avec l’équipe Gazes Dipolaires Quantiques du Laboratoire LPL de l’Université Paris Nord 13. Nous avons montré, dans une simulation numérique, que nos inégalités généralisées sont capables de détecter l’intrication à l’aide d’opérateurs collectifs mesurables en utilisant des techniques accessibles dans dans ce type de dispositif. / Entanglement detection is crucial and a necessity in the context of quantum information and quantum computation. This important task has proved to be quite hard for quantum systems of dimensions higher than 2×3, in which case, there exists well established necessary and sufficient conditions like Peres-Horodecki criterion.To tackle this challenge for bipartite systems, we introduce a mathematical framework to reduce the problem to entanglement in a two qubit system. This is done by mapping each subsystem locally into a qubit without increasing entanglement. The mapping is expressed in terms of expectation values of three arbitrary operators in the original state. We give necessary and sufficient conditions for such mapping to be valid from physical point of view, providing thence a versatile tool for dimension reduction in various applications.Our main use of this formalism is as a gate way to derive entanglement criteria for bipartite or multi-partite systemas based on existing ones derived for qubit systems. By mapping each subsystem locally into a qubit, applying entanglement criteria known for qubits on the resulting state automatically gives us entanglement criteria in terms of the chosen operators used to implement the mapping.For the multi-partite case, we focus on spin squeezing inequalities for qubits to derive entanglement criteria for general systems. However, when applying our formalism to this case, an interesting situation arises where one is able to obtain coherent superposition of multi-partite qubit states with different particle number. Hence, to derive better entanglement criteria, we had to consider quantum and/or classical fluctuationsthat may be exhibited by the particle number operator. We derive generalized form of Sørensen-Mølmer’s criterion and of spin squeezing inequalities for fluctuating particle number in terms of arbitrary collective operators. We applied our results to study entanglement in a system of ultra-cold Chromium atoms with spin s = 3 trapped in a bi-dimensional optical lattice incollaboration with Quantum Dipolar Gazes team in Laboratoire de Physique de Laser at Paris Nord 13 university. We showed, in a numerical simulation, that our generalized inequalities are able to detect entanglement in their system using collective operators. Moreover, we show that such observables can be measured using available techniques.

Cette thèse réalisée en collaboration avec l’entreprise Thales Alenia Space, qui étudie les protocoles de cryptographie quantique à n parties en dimension d, a un double objectif. D’une part, nous analysons la famille des inégalités de Bell homogènes introduites par par François Arnault dans [1] afin de proposer des outils théoriques pour leur compréhension et leur implémentation à l’aide d’appareils optiques appelés ditters dont une représentation mathématique est donnée par Zukowski et al. dans [2]. Avec ces outils théoriques, nous proposons de nouveaux protocoles cryptographiques en dimension d qui sont décrits dans [3] et qui utilisent ces inégalités. D’autre part, nous étudions les avantages et inconvénients de la cryptographie quantique pour la protection des communications avec un satellite LEO en environnement bruité dans différents scénarios et, pour chacun de ces scénarios, nous concluons sur l’intérêt d’utiliser des protocoles de Distribution Quantique de Clés. / This thesis in collaboration with Thales Alenia Space studies quantum cryptographic protocols for n parties in dimension d. We first analyze the family of Bell inequalities called homogeneous Bell inequalities introduces by François Arnault in [1] and we construct several theoretical tools for a better understanding of these inequalities. With these tools, we show how to implement the measurements required to test these inequalities by using optical devices calleds multiport beamsplitters and described by Zukowski et al. in [2]. We use these devices to construct new cryptographic protocols in dimension d called hdDEB which we describe in [3]. Then, we study advantages and drawbacks of the use of quantum cryptography to protect satellite links in a noisy environment. We consider several scenarios with LEO satellites and, for each of them, we conclude about the interest of using Quantum Key Distribution protocols.

Dans ce travail de thèse nous nous sommes intéressés à une catégorie spécifique d'états quantiques de la lumière : les états non-gaussiens. Ces états ont la particularité de présenter des fonctions de Wigner à valeurs négatives. Cette propriété est indispensable pour réaliser des opérations de calcul quantique mais trouve aussi des applications variées en communication quantique ou métrologie par exemple. Différentes stratégies peuvent être utilisées pour générer de tels états. Ici, les ressources initiales sont des états dit gaussiens produits par des oscillateurs paramétriques optiques en régime continu (i.e. vide comprimé bi-mode et mono-mode). Le caractère non-gaussien ne peut être obtenu que par des phénomènes non-linéaires (hamiltonien sur-quadratique). Dans notre cas, la non-linéarité est induite par des mesures basées sur le comptage de photon (aussi appelées mesures non-gaussiennes). Cette étude est principalement divisée en deux parties. Tout d'abord, la génération d'états non-classiques correspondants à deux types d'encodages de qubits : le photon unique, utilisé en information quantique dite à variables discrètes, et la superposition d'états cohérents (chat de Schrödinger optique), utilisée en information quantique dite à variables continues. Ces états ont ensuite été utilisés pour mettre en \oe{}uvre deux protocoles d'information quantique. Le premier porte sur un témoin d'intrication en photon unique, l'autre sur la génération d'intrication entre deux types d'encodages (aussi appelée intrication hybride).