Ce manuscrit de thèse s’intéresse à l’étude théorique et à l’observation d’effets quantiques résultantde la manipulation de photons en fréquence. Ainsi nous rapportons une expérience d’interférenceà deux photons, pour laquelle l’intrication et la manipulation des photons survient dans le domainedes fréquences. Nous montrons que cette figure d’interférence est sensible à la dispersion des deuxphotons jumeaux et que ce phénomène peut être compensé de manière non-locale. D’un autre coté,nous étudions la réalisation d’une marche aléatoire quantique établie par la modulation de phase.Nous mettons en évidence un comportement intéressant de ces marches et suggérons un schémaexpérimental. / This manuscript deals with a theoretical and experimental study of quantum effects taking place inthe frequency domain. On one side, we report a two photons interference experiment, where both theentanglement of the photons and their manipulation take place in the frequency domain. We showthat this interference pattern is sensitive to the dispersion of both photons and allows us to perform anonlocal dispersion cancellation. On the other side we study the implementation of a quantum walkbased on the phase modulation. We predict an interesting behavior of these quantum walks andsuggest a physical implementation.

L'étude menée dans cette thèse concerne la dynamique de systèmes quantiques hors de l'équilibre, et plus particulièrement leurs propriétés d'intrication. En effet, l'intrication est devenue un concept fondamental dans la physique moderne, grâce notamment au développement de l'information quantique. Nous avons dans un premier temps étudié la dynamique d'un modèle de bosons sur réseau après la trempe de leur potentiel de confinement. Dans la limite de coeur dur, nous avons développé une théorie hydrodynamique qui reproduit parfaitement les différents comportements observés. Nous nous sommes ensuite intéressés à la dynamique de deux spins défauts couplés à une chaîne d'Ising. Dans un premier temps, ces défauts ont été préparés dans un état séparable. Nous avons dans ce cas établi une formule donnant l'évolution temporelle de la matrice de densité réduite, qui nous a permis d'avoir accès à l'intrication créée par l'intermédiaire du couplage à la chaîne. Puis, nous avons considéré le cas de deux spins défauts initialement intriqués, et nous avons étudié l'influence d'un environnement hors de l'équilibre sur leurs propriétés de désintrication. Finalement, la dernière partie de cette thèse est consacrée à l'étude d'un système couplé à un environnement décrit par le processus d'interactions répétées. Nous avons étudié la relaxation du système dans deux régimes temporels différents. Pour des temps courts, l'état est bien décrit par un état stationnaire hors équilibre, dans lequel nous avons mis en évidence les propriétés d’échelle de certaines observables. Enfin, pour des temps longs, le système atteint un état stationnaire d'équilibre composé d'un produit d'états de Bell / The study carried in this thesis concerns the dynamics of out-Of-Equilibrium quantum systems, and more particularly their entanglement properties. Indeed, entanglement became a fundamental concept in modern physics, especially with the development of quantum information. We have in a first part studied the dynamics of a model of bosons on a lattice after the quench of their trapping potential. In the hard-Core limit, we developed an hydrodynamical theory which perfectly reproduced the observed behavior. Then, we have looked at the dynamics of two defect spins coupled to an Ising chain. When these defects have been prepared into a separable state, we have established a formula giving the evolution of the reduced density matrix, allowing us to have access to the entanglement create through the coupling to the chain. We considered then the case of two initially entangled defect spins, and we studied the influence of a non-Equilibrium environment on the disentanglement properties. Finally, the last part of this thesis is devoted to the study of a system coupled to an environment by means of the repeated interactions process. We studied the relaxation of the system in two different time regimes. For short times, the state is well described by a non-Equilibrium-Steady-State, in which we highlighted the scaling properties of some observables. For long times, the system reaches an equilibrium steady state made of a product of Bell states

Quelques particularités des polaritons, (quasi) particules-modes normaux du système d'excitons en interaction avec des photons en régime de couplage dit fort, sont théoriquement et numériquement analysés dans les systèmes de dimensionnalité basse. Dans le chapitre 1 est donné un bref aperçu en structure 0D, 1D et 2D semi-conductrices avec une introduction générale au domaine des polaritons. Le chapitre 2 est consacré aux micro / nano fils. Les modes de galerie sifflants sont étudiés dans le cas général d'un système anisotrope ainsi que la formation des polaritons dans les fils de ZnO. Le modèle théorique est comparé à l’expérience. Dans le chapitre 3 la dynamique de type Josephson pour les condensats de Bose-Einstein des polaritons est analysé en prenant en compte le pseudospin. Le chapitre 4 commence par une introduction à l'effet Aharonov-Bohm, qui est la phase géométrique la plus connue. Une autre phase géométrique - phase de Berry, qui existe pour une large classe de systèmes en évolution adiabatique sur un contour fermé, est l'objet principal de cette section. Nous avons examiné une proposition d'un interféromètre en anneau avec exciton-polaritons basé sur l'effet phase de Berry. Le chapitre 5 concerne un système 0D: un exciton d’une boîte quantique fortement couplé avec des photons dans une cavité optique. Nous avons discuté de la possibilité d'obtenir des états intriqués à partir d'une boîte quantique embarquée dans un cristal photonique en régime polaritonique. / Some special features of polaritons, quasi-particles being normal modes of system of excitons interacting with photons in so called strong coupling regime, are theoretically and numerically analyze in low dimensional systems. In Chapter 1 is given a brief overview of 0D, 1D and 2D semiconductor structures with a general introduction to the polariton field. Chapter 2 is devoted to micro / nano wires. The so called whispering gallery modes are studied in the general case of an anisotropic systems as well as polariton formation in ZnO wires. Theoretical model is compared with an experiment. In the Chapter 3 Josephson type dynamics with Bose-Einstein condensates of polaritons is analyzed taking into account pseudospin degree of freedom. Chapter 4 start with an introduction to Aharonov-Bohm effect, as the best known represent of geometrical phases. An another geometrical phase – Berry phase, occurring for a wide class of systems performing adiabatic motion on a closed ring, is main subject of this section. We considered one proposition for an exciton polariton ring interferometer based on Berry phase effect. Chapter 5 concerns one 0D system : strongly coupled quantum dot exciton to cavity photon. We have discussed possibility of obtaining entangled states from a quantum dot embedded in a photonic crystal in polariton regime.

L'informatique quantique, ce surprenant mariage entre informatique et physique, est un domaine riche en nouvelles idées, autant pour la technologie future qu'une meilleure compréhension de notre univers. C'est le phénomène de l'intrication qui est au coeur de cette nouvelle façon de voir l'information. Ce mémoire porte sur l'étude des corrélations quantiques observées dans la nature, mises de l'avant, entre autres, par John Bell. Plus particulièrement, deux jeux non signalants, dans lesquels ces corrélations se manifestent, sont étudiés: le jeu CHSH, probablement l'exemple le plus connu à ce jour, et le jeu de pseudotélépathie du carré magique. Pour ce faire, deux points de vue seront adoptés, soit probabiliste et algorithmique. Le premier est motivé par la prédiction (ce qui aurait pu se passer), tandis que le second s'intéresse à l'information intrinsèque contenue dans un objet (ce qui s'est passé). Les concepts «aléatoire» et «information» seront donc abordés premièrement à la Shannon (approche probabiliste) puis à la Kolmogorov (approche algorithmique). C'est la complexité de Kolmogorov qui sera utilisée pour quantifier l'information de façon factuelle. De plus, le cas particulier où plusieurs répétitions d'un jeu sont jouées en parallèle dans un monde classique sera examiné. Le théorème des répétitions parallèles, résultat important sur le sujet démontré par Ran Raz, sera présenté et utilisé par la suite dans l'étude algorithmique des jeux CHSH et du carré magique. / Quantum information, this intriguing marriage between computer science and physics, is a promising field of research for future technologies as well as a better understanding of our universe. Entanglement is at the very heart of this new way of understanding information. This thesis focuses on quantum correlations that are observed in nature. They have been studied in great detail by, among others, John Bell. More specifically, two non-signaling games, in which these correlations arise, are studied: the CHSH game, which is probably the best-known example of such games, and the magic square pseudotelepathy game. To do so, two points of view will be adopted: probabilistic and algorithmic. The first is motivated by prediction (what could have happened) and the second focuses on the intrinsic information about an object (what happened). Therefore, the concepts of randomness and information are first addressed from Shannon’s point of view (probabilistic approach) and second from Kolmogorov’s point of view (algorithmic approach). Kolmogorov complexity is used to quantify information in a factual way. Furthermore, the particular case in which multiple repetitions of a game are played in parallel in a classical world is considered. The parallel repetition theorem, an important result on the subject proven by Ran Raz, is presented and used in the algorithmic study of the CHSH game and the magic square game.

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Le cancer gynécologique pelvien est une pathologie qui se loge dans les organes génitaux internes de la femme : vagin, utérus, col de l'utérus et ovaires. Ces organes malades sont traités chez les patientes de l'étude par hystérectomie plus ou moins élargie (ablation des organes génitaux), chimiothérapie, radiothérapie et curiethérapie. C'est donc une castration que ces femmes subissent dans la réalité d'un corps qui souffre. Cancer et traitements sont autant d'effractions corporelles qui réitèrent une représentation psychique de la pénétration comme de l’accueil passif de l'autre en soi. Cette figure de l'étranger à l’intérieur du moi convoque des fantasmes, affects et représentations pénétrantes qui endommagent l'image du corps, génère des images de passivité et ravive des expériences de passivation. De plus, cette effraction s'opère spécifiquement sur le lieu intime du sexe, là où s'incarne le devenir femme puis le devenir mère, convoquant le féminin de la femme dans sa pluralité, mais aussi dans ses rapports à la féminité. Après avoir dégagé, dans un référentiel littéraire très large, les rares travaux qui mettent en perspective l'effraction d'un cancer gynécologique et ses traitements avec la sexualité des femmes, nous avons situé notre propre recherche dans une approche de psychopathologie psychanalytique et dans ses rapports avec la psychosomatique. S'ensuit un repérage de la théorie psychanalytique conséquent des deux grands champs sollicités par le sujet de l'étude : la sexualité féminine et le corps dans la maladie. La méthodologie originale mise en place s'inscrit dans une démarche exploratoire étayée de la passation de deux tests projectifs : le Rorschach et le TAT, ainsi que d'entretiens cliniques de recherche. Il s'agit d'une méthodologie longitudinale sur trois temps choisis du parcours thérapeutique de ces femmes. Les résultats, traités dans un premier temps dans la dimension singulière de l'étude de cas, sont regroupé ensuite en fonction des hypothèses pour faire apparaître des aménagements communs chez ces patientes. L'analogie entre la situation de l'infans et celle de ces femmes sous contraintes de passivité accompagne la description des trois temps de l'étude. Celle-ci répond à l'hypothèse d'une mobilisation de modalités psychiques spécifiques du traitement de l'effraction corporelle qui convoquent, malmènent, blessent et suppriment les organes génitaux internes. L'étude révèle l'actualisation d'angoisses primitives spécifiquement féminines, telle que l'angoisse de pénétration, traitées par des modalités limites, narcissiques et anales autour d'un fantasme de corps troué et d'une intériorité dangereuse. En définitive, l'étude explore l'ensemble du jeu pulsionnel pour en décrypter les mouvements d’intrication et de désintrication sous-tendant le désinvestissement érotique du génital, convoquant le féminin dans ses potentialités passives et accompagnant l'infléchissement de la relation d'objet sous l'influence de la pulsion de mort. / Pelvic gynaecological cancer is a disease that fits into internal reproductive organs of women : vagina, uterus, cervix and ovaries. These cancers are treated in patients of the study by hysterectomy, extended or not (removal of genitals), chemotherapy, radiotherapy and brachytherapy. It is a castration that these women experience in the reality of a body that suffers. Cancer and treatments are corporal effractions that reiterate a psychic representation of the penetration as the passive reception of the other in oneself. This figure of the foreigner inside the ego summons fantasies, affects and penetrating representations that damage body image, generates passivity images and rekindles passivation experiences. Moreover, this effraction takes place specifically on the intimate sex place, where the growing into a woman and then into a mother incarnates itself, summoning the feminine of the woman in his plurality but also in his connections to feminity. After clearing, in a very broad literary repository, the few studies that put into perspective the effraction of the gynaecological cancer and its treatments with feminine sexuality, we set our own research in the approach of psychoanalytic psychopathology in its relations with psychosomatics. A consistent identification of psychoanalytic theory of the two major fields requested by the subject of the study ensues : feminine sexuality and body in the disease. The original methodology implemented fits into an exploratory process supported by the administration of two projective tests : Rorschach and TAT, along with clinical research interviews. This is a longitudinal methodology at three selected steps of the therapeutic course of these women. The results, treated initially in the singular dimension of the case study are then grouped according to the hypotheses to show the shared adjustments in these patients. The analogy between the situation of the infans and the women under passivity constraints accompanies the description of the three steps of the study. It responds to the hypothesis of a mobilization of psychic modalities specific to corporal effraction treating process which summon, mistreat, wound and remove internal genitalia. The study reveals specifically feminine primitive anxiety such as penetration anxiety, treated by limit modalities, narcissistic and anal around a holed body fantasy and a dangerous interiority. Finally, the study explores the entire set of drives in order to figure out fusion and defusion movements subtending the erotic decathexis of the genital, summoning the feminine in its passive potentialities and accompanying the reorientation of the object-relation under the death drive influence.

Nous explorons l’intrication d’états mixtes, particulièrement d’états de Hall quantiques, par le biais de l’information mutuelle (MI) et de la négativité logarithmique (LN) fermionique. Cette dernière est une bonne mesure d’intrication pour des états mixtes quantiques car elle ne capture pas de corrélations classiques comme la MI. Nous étudions des géométries tripartites qui contiennent des coins où, en plus de la loi du périmètre standard, l’intrication reçoit une contribution angulaire : le terme de coin. Avec l’entropie d’intrication, ce terme a été étudié pour divers états purs, y compris les états de Hall quantiques entier (IQH), et il a été constaté que la fonction angulaire est presque universelle ; elle ne dépend pas des détails microscopiques de l’état en considération. Nous faisons des prédictions sur la forme du terme de coin de la LN et de la MI en utilisant des propriétés générales. Nous testons numériquement nos prédictions sur des états IQH à différents remplissages et sur différentes géométries en utilisant deux méthodes, une dans l’espace des impulsions et une dans l’espace réel. Dans les états fondamentaux, nous trouvons que les termes de coin de la MI et de la LN suivent également le comportement quasi-universel. À température finie et des coins d’angle π/2, le coefficient de la loi du périmètre et les termes de coin atteignent d’abord un plateau puis décroissent rapidement avec la température. Les effets de température finie sont étudiés davantage en travaillant dans les limites de faibles et fortes températures. / We explore the entanglement of quantum mixed states, with an emphasis on quantum Hall states, via the mutual information (MI) and the fermionic logarithmic negativity (LN). The latter is a good measure of entanglement for quantum mixed states as it does not capture classical correlations, unlike the MI. We study tripartite geometries with corners where in addition to the standard boundary law, the entanglement receives an angle-dependent contribution : the corner term. Using the entanglement entropy, this corner term has been studied for various pure states, including integer quantum Hall (IQH) states, and it was found that the angle-dependent function is almost super-universal; it does not depend on the microscopic details of the state under consideration. First, we make predictions on the form of the corner term for the LN and MI using general properties. Then, we test our predictions numerically on IQH states at different fillings and on different geometries, using two approaches, one in momentum space and one in real space. In groundstates, we find that the corner terms of the MI and LN also follow the quasi-universal behaviour. At finite temperatures and angle π/2, we find that the boundary law coefficient and corner terms first plateau then decay rapidly with temperature. The finite-temperature effects are studied in more details by working in low and high temperature limits.

Depuis l’avènement de la mécanique quantique, l’étude des interactions lumière-matière à l’échelle quantique s’est énormément développée en tant que domaine de recherche. Par exemple, grâce à des prédictions théoriques surprenantes, des interactions d’une force sans précédant ont été démontrées entre de la matière et des radiations terahertz et microonde. Ces résultats correspondent à un régime dit de couplage ultrafort, atteint lorsque l’énergie d’interaction devient comparable aux énergies propres de la lumière et de la matière lorsque celles-ci n’interagissent pas. Dans ce régime, des propriétés intrigantes peuvent subsister telles que la présence de photons même lors qu’aucune énergie n’est fournie au système. Cependant, ces photons ne peuvent, a priori, être émis du système vers l’extérieur de manière à pouvoir être mesurés et par conséquent démontrer ces propriétés.Dans cette thèse, nous avons étudié ces propriétés intrigantes et proposé plusieurs moyens permettant d’y accéder expérimentalement. Nous nous sommes appuyés sur plusieurs plate-formes physiques qui sont de bon candidats pour ces études, et pour chacun de ces systèmes nous avons mis au point un modèle mettant en évidence ces propriétés d’une manière ou d’une autre. De cette façon, nous avons exploré le lien entre le régime de couplage ultrafort et la génération d’états non-classiques de la lumière. En outre, dans une étude plus ouverte nous avons montré que les interactions lumière- matière dans l’une de ces plate-formes peuvent être utilisés pour concevoir des protocols de communication quantique. En plus de montrer un intérêt fondamental, nos résultats s’inscrivent dans une optique de développement d’applications pour les technologies quantiques en utilisant différents systèmes expérimentaux disponibles actuellement / Since the advent of quantum mechanics, the study of light-matter interactions at thequantum level has been greatly developed as a research field. For instance, surprisingtheoretical predictions gave rise to experiments with unprecedented interactionstrengths between matter, and terahertz and microwave radiations. These results correspondto the so-called ultrastrong coupling regime, that is reached when the interactionenergy becomes comparable to the typical energies of the light and matter when they arenot interacting. In this regime, intriguing properties can be found such as the presenceof photons even when no energy is given to the system. However, these photons cannot,a priori, be emitted from the system to the outside world in order to be measured andtherefore demonstrate these properties. In this thesis, we studied these intriguing properties and proposed several means toaccess them experimentally. We relied on several physical platforms which are goodcandidates for such studies, and for each one of these systems we devised a model thatcan evidence these properties one way or another. By doing so, we explored the linkbetween the ultrastrong coupling regime and the generation of nonclassical states oflight. Additionally, as an outlook we showed that the light-matter interactions in oneof these platforms could be used to design quantum communication protocols. On topof showing fundamental interest, our results fit in the line of developing applications forquantum technologies using different experimentally available systems.

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Ce manuscrit expose le développement de ressources fondamentales pour les communications quantiques à longues distances basées sur les technologies des fibres optiques télécoms et des guides d'onde optiques non linéaires. Après une introduction générale sur les communications quantiques, cette thèse est structurée en trois parties principales. La première partie illustre le développement de deux sources pour la génération de paires de photons intriqués en polarisation et émis à une longueur d'onde télécom via conversion paramétrique spontanée (SPDC) dans des guides d'ondes non linéaires intégrés sur niobate de lithium périodiquement polarisé. Les sources s'appuient respectivement sur un accord de phase de type-II et un accord de phase de type-0 et sur des solutions de filtrage et d'interférométrie mises en place après le cristal non linéaire. Dans la seconde partie, sont discutées les réalisations de deux sources de photons uniques annoncés haut débit. La première s'appuie sur le multiplexage spatial sur puce de photons uniques annoncés. La seconde exploite le multiplexage temporel passif grâce à l'utilisation d'un laser télécom cadencé à 10 GHz. Enfin, nous présentons une approche tout-optique visant la synchronisation de sources distantes de paires de photons intriqués, agencées selon une architecture de type relais quantique distribué. Cette technique innovante repose sur l'utilisation d'un laser télécom impulsionnel en tant qu'horloge optique de référence. Cette horloge autorise la synchronisation de l'émission de paires de photons dans la bande C des télécoms en deux lieux distants. Des résultats préliminaires d'interférence à deux photons sont montrés et discutés. / This manuscript reports the development of fundamental resources for long distance quantum communication based on fibre telecom technology and non-linear optical waveguides. After a general introduction on quantum communication, the thesis is structured along three parts. The first part illustrates the development of two photonic polarization entanglement sources suitable for quantum networking. Both sources generate paired photons at telecom wavelength via spontaneous parametric down conversion (SPDC) in periodically poled lithium niobate waveguides (PPLN/W). They rely on type-II and type 0 phase matching, respectively. In the second part, two high quality heralded single photon sources are highlighted. The first one relies on on-chip generation and spatial multiplexing of heralded single photons towards achieving higher bit rates. The second one takes advantage of passive temporal multiplexing of a single SPDC process. Finally, an all-optical approach towards efficient and accurate synchronization of remote entangled photon pair sources within quantum relay architecture over long distances is presented. This particular synchronization technique highlights the use of ultra-fast picosecond pulsed telecom fiber laser, operating at 2.5 GHz repetition rate, acting as a master optical clock, enabling to accurately synchronize the emission of photon pairs in the telecom C-band of wavelengths at two remote locations. This innovative approach is applied for synchronizing two remote PLLN/W based sources operated at 2.5 GHz, and preliminary results on two-photon interference obtained with single photons coming from each source are shown and discussed.