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

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.

L'avenir des communications quantiques réside dans le développement de répéteurs pour lesquels une mémoire quantique est nécessaire et permet de chaîner plusieurs transferts d'intrication. Ces mémoires exigent une largeur spectrale très étroite (< 100MHz), ce qui impose des contraintes fortes sur la qualité des sources de paires de photons intriqués. Dans le cadre de cette faible largeur spectrale, nous étudions les performances des sources de photons jumeaux basées sur la fluorescence paramétrique dans un cristal non-linéaire. Pour assurer la propagation sur de longues distances, les photons sont émis à 1550 nm et couplés dans des fibres optiques. Pour les besoins de synchronisation, nous nous intéressons au cas de sources impulsionnelles. Après une étude de l'effet de leurs différents degrés de liberté sur leurs performances, nous apportons deux contributions utiles à la réalisation de sources optimales. La première, basée sur une étude théorique confirmée par l'expérience, est un résultat nouveau et général donnant les conditions optimales d'interaction paramétrique en vue de maximiser non pas la brillance de la source, mais l'efficacité d'extraction des paires, critique du point de vue de la qualité. La seconde contribution consiste en une technique originale de mesure directe de cette efficacité d'extraction. Outre les mesures de taux de détection (coups simples et coïncidences) effectuées par exemple lors d'une mesure de Bell, cette technique ne fait appel qu'à la connaissance de la forme spectrale du filtrage des photons jumeaux. Ces résultats théoriques de portée générale, et la technique simple développée, constituent deux éléments d'une étude détaillée des sources basée sur la fluorescence paramétrique.

Cette thèse est consacrée à l'étude expérimentale et théorique des propriétés quantiques d'un Oscillateur Paramétrique Optique pompé en mode synchrone (SPOPO) en dessous du seuil. Les relations d'entrée-sortie du champ quantique sont établies pour un tel dispositif en utilisant un formalisme symplectique à la fois en temps et en fréquence. On prédit que le champ produit est dans un état fortement multimode où les modes comprimés sont des peignes de fréquences de différents profils spectraux/temporels. On le démontre expérimentalement à l'aide d'un SPOPO composé d'une cavité en anneau et un cristal non-linéaire pompé par un train d'impulsions femtoscondes à 400 nm. Les états générés sont mesurés par une détection homodyne avec mise en forme de l'oscillateur local. Cela permet la construction d'une matrice de covariance dans une base de pixels de fréquences et la mise en évidence des corrélations quantiques entre les différentes régions du spectre optique. La diagonalisation de cette matrice donne les modes décorrélés en bruit et les niveaux de compression de bruit respectifs. La génération d'états décrits par au moins 4 modes décorrélés dans des états comprimés se propageant dans le même faisceau a été démontrée. Les résultats plus récents montrent des états à 8 modes, ouvrant la voie à la génération extensible d'états fortement multimodes de la lumière.

Approche hybride du traitement quantique de l'information La dualité onde-particule a conduit à deux façons d'encoder l'information quantique, les approches continues et discrètes. L'approche hybride a récemment émergé, et consiste à utiliser les concepts et boites à outils des deux approches, afin de venir à bout des limitations intrinsèques à chaque champ. Dans ce travail de thèse, nous allons dans une première partie utiliser des protocoles hybrides de façon à générer des états quantiques non-gaussiens de la lumière. A l'aide d'oscillateurs paramétriques optiques, et de détecteur de photons supraconducteurs, nous pouvons générer des photons uniques extrêmement purs très efficacement, ainsi que des états chats de Schrödinger, qui permettent d'encoder l'information en variables continues. Nous montrons également en quoi des opérations de variables continues peuvent aider cette génération. La méthode utilisée, basée sur la génération " d'états-noyaux " rend en outre ces états plus robustes à la décohérence. Dans une seconde partie, dans le contexte d'un réseau hétérogène, basé sur différents encodages, relier de façon quantique les deux mondes, nécessite l'existence d'intrication hybride de la lumière. Nous introduisons la notion d'intrication hybride, entre des états continus et discrets, et nous en montrons une première application qui est la génération à distance de bit quantique continu. Nous implémentons ainsi également une plateforme polyvalente permettant la génération d'états " micro-macro " intriqués. / In quantum information science and technology, two traditionally-separated ways of encoding information coexist -the continuous and the discrete approaches, resulting from the wave-particle duality of light. The first one is based on quadrature components, while the second one involves single photons. The recent optical hybrid approach aims at using both discrete and continuous concepts and toolboxes to overcome the intrinsic limitations of each field. In this PhD work, first, we use hybrid protocols in order to realize the quantum state engineering of various non-Gaussian states of light. Based on optical parametric oscillators and highly-efficient superconducting-nanowire single-photon detectors, we demonstrate the realization of a high-brightness single-photon source and the quantum state engineering of large optical Schrödinger cat states, which can be used as a continuous-variable qubit. We show how continuous-variable operations such as squeezing can help in this generation. This method based on so-called core states also enables to generate cat states that are more robust to decoherence. Second, in the context of heterogeneous networks based on both encodings, bridging the two worlds by a quantum link requires hybrid entanglement of light. We introduce optical hybrid entanglement between qubits and qutrits of continuous and discrete types, and demonstrate as a first application the remote state preparation of continuous-variable qubits. Our experiment is also a versatile platform to study squeezing-induced micro-macro entanglement.

Après une première révolution quantique marquée par l'avènement de la physique quantique et de ses lois contre-intuitives, le monde du XXIe siècle est en proie à une seconde révolution articulée autour des technologies quantiques. Ces dernières promettent un bouleversement important dans les domaines de la communication, du calcul, de la simulation et de la métrologie. Dans cette thèse, nous abordons deux des quatre sous-domaines cités précédemment, à savoir ceux de la communication et de la métrologie quantique. Le mot d'ordre rassemblant ces travaux est l'intrication. En effet, nous montrons que, grâce à cette propriété fondamentale, les performances des systèmes de communication et de métrologie standards peuvent être surpassés. Ainsi, nous présentons comment générer ces états intriqués responsables de l'avantage quantique, et ce sur différentes plateformes technologiques. La première plateforme exploitée est le silicium. Récente pour la photonique, elle combine des avantages de maturité permettant l'intégration de nombreuses structures micrométriques sur une même puce, avec des propriétés non-linéaires, basés sur des processus d'ordre 3, efficaces. Le silicium se destine alors à de nombreuses applications comme nous le montrons en générant des paires de photons intriqués démultiplexés spectralement et directement compatibles avec les réseaux de télécommunications standards. La seconde plateforme que nous présentons est le niobate de lithium. Cette dernière, très exploitée dans bon nombres de travaux en photonique quantique, possède une efficacité de génération de paires de photons intriqués très importante, notamment grâce à l'exploitation de processus non-linéaires d'ordre 2. Nous détaillons une expérience de génération d'états hyper-intriqués, qui, à l'instar du silicium, est orientée vers le domaine de la communication quantique. Enfin, nous exploitons aussi ces paires de photons intriqués combinés à des méthodes d'interférométrie quantique afin de réaliser une expérience de métrologie quantique. Le but de cette dernière étant de mesurer avec une précision inédite la différence d'indices de réfraction de fibres bi-coeurs. / After a first quantum revolution marked by the advent of quantum physics and its counter-intuitive laws, the XXIst century is in the throes of a second quantum revolution based on quantum technologies. These promises a major upheaval in the areas of communication, calculation, simulation and metrology. In this thesis, we address two of the four subdomains mentioned above, namely those of communication and quantum metrology. The main word bringing together these works is entanglement. Indeed, we show that, thanks to this fundamental property, the performances of standard communication and metrology systems can be surpassed. Thus, we present how to generate these entangled states responsible for the quantum advantage, and this on two technological platforms. The first platform exploited is silicon. The latter, recent for photonics, combines the advantages of maturity allowing the integration of many micrometric structures on the same chip, with efficient non-linear properties, based on third order process. Silicon is then destined for many applications as we show by generating pairs of spectrally demultiplexed entangled photons directly compatible with standard telecommunication networks. The second platform we present is lithium niobate. The latter, widely used in many quantum photonics demonstrations, has a very important efficiency of entangled photon pairs generation, notably thanks to the exploitation of second order non-linear process. We detail an experiment of hyper-entangled states generation, which, like silicon, is oriented towards the domain of quantum communication. Finally, we also exploit these pairs of entangled photons combined with quantum interferometry methods to realize a quantum metrology experiment. The purpose is to measure with unprecedented precision the refractive indices difference of dual-core fibers.

Ce manuscrit décrit des expériences d’optique atomique quantique utilisant un détecteur résolu en impulsions d’atomes uniques d’hélium métastable. La première partie du manuscrit décrit la mesure de cohérence de deuxième ordre de la superradiance à partir d’un condensat de Bose-Einstein d’helium métastable. Bien que le condensat soit cohérent et le gain du processus de superradiance élevé, celle-ci montre toujours une statistique thermique comme celle de l’émission spontanée. La suite du manuscrit est dédiée au test de la non localité d’une source atomique corrélée en impulsion. Le schéma du test s’inspire d’une réalisation faite par Rarity et Tapster sur des photons intriqués en impulsion. Les ingrédients principaux d’un tel schéma sont la source atomique générée par instabilité dynamique du condensat dans un réseau optique en mouvement, le contrôle cohérent des atomes par diffraction de Bragg et la mesure de la corrélation des atomes dans les différentes voies de sortie du schéma interférométrique. Un point clé est le contrôle et la manipulation de la phase des ondes atomiques. Le chapitre 3 décrit les tests sur le contrôle cohérent par diffraction de Bragg et leurs résultats encourageants. La nature non classique de notre source atomique est démontrée par l’observation d’une interférence à deux particules en les envoyant sur une séparatrice atomique. Cet analogue atomique de l’expérience de Hong Ou et Mandel est le sujet du dernier chapitre de ce manuscrit. Le résultat de cette expérience ouvre la possibilité du test d’inégalité de Bell avec des particules massives corrélées sur des degrés de liberté externe. / This manuscript describes quantum atom optics experiments using metastable helium atoms with a single-atom momentum resolved detector. In the first part of this manuscript, the second order correlation measurement of the superradiance from a metastable helium Bose-Einstein condensate is presented. The superradiance effect is the collective radiation of dense ensemble where a strong gain of the radiation is expected. We have shown the thermal like statistics of the emission even in the presence of the strong gain. The next part of the manuscript is devoted to the quantum nonlocality test using a pair of atoms entangled in momentum. The protocol we came up with is inspired from the one of Rarity and Tapster with pairs of photons entangled in momentum. The essential ingredients of this protocol are the atomic pair produced by dynamical instability of the Bose-Einstein condensate in a moving optical lattice, the coherent control of the atomic pair by Bragg diffraction and the correlation measurement of the atoms in different output modes of the interferometric protocol. The experimental characterization and preparation of coherent control by Bragg diffraction are presented showing the proof of principle of such a protocol. The last part of the manuscript discusses the realization of the atomic Hong-Ou-Mandel experiment using the same atomic pair with an atomic beamsplitter. The non-classical interference result of this experiment has opened an opportunity for us to realize Bell’s inequality test with massive particles correlated in external degrees of freedom.

Ce travail de thèse se consacre à l'étude théorique et expérimentale de la génération de corrélations quantiques dans le régime des variables continues par mélange à 4 ondes dans une vapeur atomique. Deux approches théoriques complémentaires sont développées. D'une part, nous étudions le mélange à 4 ondes sous le point de vue de l'optique non-linéaire "classique" afin d'obtenir les équations d'évolution d'un amplificateur idéal pour un milieu de susceptibilité diélectrique chi(3). D'autre part, nous présentons un modèle microscopique à 4 niveaux en double-Lambda permettant de calculer le coefficient chi(3) pour une vapeur atomique en présence de laser, et ainsi obtenir théoriquement les spectres de bruit en intensité des grandeurs observées. La mise en oeuvre expérimentale de ce processus sur la raie D1 du rubidium 85 est ensuite détaillée. Nous présentons notamment un taux de compression sous la limite quantique standard de -9.2dB, ainsi qu'un régime original permettant la génération de corrélations quantiques sans amplification. L'ensemble de ces résultats a des applications très importantes dans le domaine de l'optique quantique multimode. Citons par exemple l'imagerie quantique ou les mémoires quantiques multimodes.

Cette thèse est consacrée à l'étude expérimentale et théorique des corrélations quantiques en variables continues.<br />La question de la caractérisation de ces corrélations est largement abordée, en particulier dans le cas des états gaussiens. Le formalisme mathématique des matrices de covariance, particulièrement adapté à cette étude, est développé ; et les différents critères existants sont répertoriés.<br />Ces critères permettent de caractériser le degré d'intrication des faisceaux générés par le dispositif expérimental au cœur de cette thèse : un Oscillateur Paramétrique Optique auto-verrouillé en phase. Au-dessous du seuil, les faisceaux, de valeur moyenne nulle, présentent une séparabilité de 0,33. Le système viole de manière apparente l'inégalité de Heisenberg de 58%. Au-dessus du seuil, les faisceaux brillants obtenus sont également fortement non classiques : la séparabilité vaut 0,76 et l'inégalité de Heisenberg est violée en apparence de 24%.<br />Une application originale de ce dispositif est proposée : il est montré théoriquement qu'un OPO à deux cristaux auto-verrouillé en phase génère deux faisceaux intriqués en polarisation, ce qui devrait faciliter le transfert de l'intrication de la lumière à la matière.

Initialement posée en tant que paradoxe de savoir si la mécanique quantique est une théorie complète ou non, l'intrication entre systèmes physiques est devenue aujourd'hui un moyen de traiter l'information. De cet étrange lien entre information et état quantique est née l'information quantique, que les physiciens essaient de mettre en ÷uvre à travers des protocoles de communication ou de calcul quantique. Si les concepts de base ont été démontrés, le défi majeur actuellement est notre capacité à augmenter le nombre de porteurs de l'information sans perdre cette dernière. Le cadre de cette thèse s'inscrit dans cette démarche. Nous présentons une expérience de manipulation d'atomes froids de rubidium, piégés individuellement dans des pinces optiques, dont nous activons l'interaction en les excitant dans des états de Rydberg pour réaliser une opération d'intrication. Nous démontrons également le phénomène de blocage de Rydberg nécessaire à l'intrication entre les deux atomes. Enfin nous présentons nos mesures de l'interaction entre atomes, appuyées par nos modèles théoriques, pour discuter des limites de notre expérience.