Cette thèse se place dans le domaine du transport quantique cohérent, et vise à développer un formalisme adapté à la modélisation d'expériences réalisées dans les canaux de bord de l'effet Hall quantique entier. Ce formalisme repose sur les analogies entre ces expériences et celles de l'optique quantique photonique.Le manuscrit commence par une introduction au contexte de la thèse qui propose un tour d'horizon des enjeux, des outils et des succès de l'optique quantique électronique.La première partie du travail traite des propriétés de cohérence mono-électronique et introduit la notion clé d'excès de cohérence à un électron. Plusieurs représentations sont proposées et analysées, permettant d’accéder aux informations physiques contenues dans la fonction de cohérence. Les états émis par des sources à électrons utilisées par plusieurs groupes expérimentaux sont ensuite analysés sous cet angle.Les effets à deux électrons sont au cœur de la seconde partie. L'excès de cohérence à deux électrons est défini en prenant en compte les effets de corrélation classique et d'échange quantique. Les conséquences de l'anti-symétrie fermionique sont également analysées en détail, montrant une redondance dans les informations encodées dans la cohérence à deux électrons. Enfin, un degré de cohérence normalisé est introduit pour étudier plus directement les effets d'indiscernabilité et d'anti-bunching.La mesure et la manipulation de la cohérence électronique par interférométrie sont abordées dans la troisième partie. Dans un premier temps, le lien entre les fonctions de cohérence électronique et les quantités directement accessibles dans les expériences est établi, ce qui justifie le besoin de protocoles plus complexes. La mesure d'excès de cohérence à un électron est alors envisagée par interférométrie Mach-Zehnder à un électron, puis par interférométrie Hong-Ou-Mandel à deux électrons, ce qui suggère une interprétation plus simple d'un protocole de tomographie électronique établi en 2011. Un protocole de mesure de l'excès de cohérence à deux électrons est ensuite proposé par interférométrie de type Franson, étendant les idées relatives à la mesure de cohérence à un électron par un interféromètre de Mach-Zehnder. Enfin, une vision complémentaire est apportée sur l'interféromètre de Franson, en utilisant celui-ci cette fois pour générer une cohérence à deux électrons non locale. / This thesis deals with coherent quantum transport and aims at developing a formalism well suited to model experiments conducted in edge channels of integer quantum Hall effect. This formalism relies on analogies between these experiments and photon quantum optics ones.The manuscript begins with an introduction to the context of the thesis and an overview of issues, tools and successes of electron quantum optics.The first part of the work addresses the question of single electron coherence properties and introduces the key notion of excess of single electron coherence. Several representations are proposed and analyzed, giving access to physical informations encoded in the coherence function. The quantum states emitted by experimentally demonstrated electron sources are then analyzed under this perspective.Two electron effects are at the heart of the second part. The excess of two-electron coherence is defined taking into account both classical correction and quantum exchange effects. A detailed analysis of consequences of fermionic anti-symmetry is provided and shows that information encoded into two-electron coherence is redundant. Last, a normalized degree of coherence is introduced in view of a more direct study of indistinguishability and anti-bunching.The issue of measuring and manipulating electronic coherence by interferometry is addressed in the third part. First the relation between electronic coherence functions and directly measurable quantities in experiments is established, justifying the need for more involved measurement protocols. The measure of the excess of single electron coherence is envisioned through single electron Mach-Zehnder interferometry and two-electron Hong-Ou-Mandel interferometry, suggesting a simpler interpretation of a tomography protocol established in 2011. A protocol for measuring the excess of two-electron coherence is then proposed by Franson-like interferometry, which generalizes the ideas used for measuring single electron coherence with a Mach-Zehnder interferometer. Last, a complementary point of view on Franson interferometer is given, by using it to generate a non-local two-electron coherence.

Cette thèse est consacrée à l'étude de la décohérence de paquets d'onde mono-électroniques injectés dans un conducteur quantique balistique. Les paquets d'onde sont générés à l'aide d'une capacité mésoscopique, utilisée comme source d'électrons uniques, qui sont émis à la demande dans le canal de bord externe de l'effet Hall quantique entier. Deux telles sources indépendantes et synchronisées sont positionnées sur les bras d'entrée d'une lame séparatrice électronique. La mesure des fluctuations (bruit) du courant dans les bras de sortie permet de caractériser les interférences à deux électrons se produisant sur la lame séparatrice. De cette manière, on réalise l'analogue électronique de l'interféromètre de Hong-Ou-Mandel (HOM). Il apparaît que le contraste de la figure d'interférence dépend de la forme des paquets d'onde injectés. Cette perte de cohérence est imputée au couplage capacitif, dû à l'interaction coulombienne, entre le canal de bord externe et les autres canaux de bord co-propageants, qui constituent un environnement contrôlé pour le canal externe. Afin de valider cette hypothèse, une seconde expérience est réalisée. La capacité mésoscopique y est utilisée dans un autre régime de fonctionnement, dans lequel elle permet de générer une excitation collective de la densité de charge du canal externe, appelée magnéto-plasmon de bord. En caractérisant la propagation du magneto-plasmon de bord en fonction de la fréquence d'excitation, on peut sonder l'interaction Coulombienne entre deux canaux de bord. Ces mesures montrent que cette interaction est responsable de l'apparition de deux modes propres de la propagation : un mode "chargé" rapide et un mode "neutre" lent. Elles permettent de caractériser quantitativement la vitesse de propagation du mode neutre. Les résultats de cette seconde expérience sont ensuite utilisés pour établir que la perte de contraste, observée dans l'expérience HOM, est essentiellement due à l'interaction entre canaux de bord. Ce couplage est responsable de la destruction des quasi-particules injectées par la source, un électron se séparant (ou fonctionnalisant) en deux pulses de charge e/2 au fil de sa propagation. Durant le processus de fractionnalisation, l'état généré dans le canal de bord externe s'intrique avec son environnement (canaux de bord co-propageants) entraînant la réduction du contraste dans l'expérience HOM. Ces observations ouvrent la voie à de nouvelles expériences plus complexes telles que la tomographie de l'état du paquet d'onde sur la lame séparatrice (pour valider complètement le scénario de destruction des quasi-particules) ou la protection de la cohérence de l'état dans le canal de bord externe. / This manuscript is devoted to the study of the decoherence of single electronic wavepackets injected in a balistic quantum conductor. The single electrons are emitted on-demand using a mesoscopic capacitor in the outer edge channel of the integer quantum Hall effect. Two independent and synchronized sources are located on the input arms of an electronic beam-splitter. The measurement of the current fluctuations (noise) in the output arms allows for the characterization of two-electron interferences occuring on the beam-splitter. This realizes the electronic analog of the Hong-Ou-Mandel (HOM) interferometer. It appears that the contrast of the interference pattern depends on the shape of the emitted wavepackets. This loss of electronic coherence is caused by the capacitive coupling, due to the Coulomb interaction, between the outer edge channel and the other channels, which constitute a controlled environment for the outer channel. In order to validate this scenario, a second experiment has been realized. The mesoscopic capacitor is used in a different regime, in which it generates a collective charge density wave called edge magnetoplasmon. By characterizing the propagation of the edge magnetoplasmon as a function of frequency, one can probe the Coulomb interaction between the channels. The measurements show that this interaction is responsible for the appearance of two propagating eigenmodes: a fast charge mode and a slow neutral mode, and provide the determination of the slow mode velocity. The results of this second experiment are then used to establish that the reduction of the contrast observed in the HOM experiment is caused by this interchannel interaction. It is responsible for the destruction of the quasiparticles emitted by the source which fractionalize in charge pulses of charge e/2 along propagation. During the fractionalization process, the state generated in the outer channel gets entangled with the environment (other channels), hence reducing the contrast in the HOM experiment. More complex experiments, such as the tomography of the emitted electornic wavepacket to validate the full decoherence scenario, or the implementation of decoherence protection schemes can be envisioned in the future.

The processing of information based on the generation of common quantum optical states (e.g. coherent states) and the measurement of the quadrature components of the light field (e.g. homodyne detection) is often referred to as continuous-variable quantum information processing. It is a very fertile field of investigation, at a crossroads between quantum optics and information theory, with notable successes such as unconditional continuous-variable quantum teleportation or Gaussian quantum key distribution. In quantum optics, the states of the light field are conveniently characterized using a phase-space representation (e.g. Wigner function), and the common optical components effect simple affine transformations in phase space (e.g. rotations). In quantum information theory, one often needs to determine entropic characteristics of quantum states and operations, since the von Neuman entropy is the quantity at the heart of entanglement measures or channel capacities. Computing entropies of quantum optical states requires instead turning to a state-space representation of the light field, which formally is the Fock space of a bosonic mode.<p>This interplay between phase-space and state-space representations does not represent a particular problem as long as Gaussian states (e.g. coherent, squeezed, or thermal states) and Gaussian operations (e.g. beam splitters or squeezers) are concerned. Indeed, Gaussian states are fully characterized by the first- and second-order moments of mode operators, while Gaussian operations are defined via their actions on these moments. The so-called symplectic formalism can be used to treat all Gaussian transformations on Gaussian states, including mixed states of an arbitrary number of modes, and the entropies of Gaussian states are directly linked to their symplectic eigenvalues.<p>This thesis is concerned with the Gaussian transformations applied onto arbitrary states of light, in which case the symplectic formalism is unapplicable and this phase-to-state space interplay becomes highly non trivial. A first motivation to consider arbitrary (non-Gaussian) states of light results from various Gaussian no-go theorems in continuous-variable quantum information theory. For instance, universal quantum computing, quantum entanglement concentration, or quantum error correction are known to be impossible when restricted to the Gaussian realm. A second motivation comes from the fact that several fundamental quantities, such as the entanglement of formation of a Gaussian state or the communication capacity of a Gaussian channel, rely on an optimization over all states, including non-Gaussian states even though the considered state or channel is Gaussian. This thesis is therefore devoted to developing new tools in order to compute state-space properties (e.g. entropies) of transformations defined in phase-space or conversely to computing phase-space properties (e.g. mean-field amplitudes) of transformations defined in state space. Remarkably, even some basic questions such as the entanglement generation of optical squeezers or beam splitters were unsolved, which gave us a nice work-bench to investigate this interplay. <p>In the first part of this thesis (Chapter 3), we considered a recently discovered Gaussian probabilistic transformation called the noiseless optical amplifier. More specifically, this is a process enabling the amplification of a quantum state without introducing noise. As it has long been known, when amplifing a quantum signal, the arising of noise is inevitable due to the unitary evolution that governs quantum mechanics. It was recently realized, however, that one can drop the unitarity of the amplification procedure and trade it for a noiseless, albeit probabilistic (heralded) transformation. The fact that the transformation is probabilistic is mathematically reflected in the fact that it is non trace-preserving. This quantum device has gained much interest during the last years because it can be used to compensate losses in a quantum channel, for entanglement distillation, probabilistic quantum cloning, or quantum error correction. Several experimental demonstrations of this device have already been carried out. Our contribution to this topic has been to derive the action of this device on squeezed states and to prove that it acts quite surprisingly as a universal (phase-insensitive) optical squeezer, conserving the signal-to-noise ratio just as a phase-sensitive optical amplifier but for all quadratures at the same time. This also brought into surface a paradoxical effect, namely that such a device could seemingly lead to instantaneous signaling by circumventing the quantum no-cloning theorem. This paradox was discussed and resolved in our work.<p>In a second step, the action of the noiseless optical amplifier and it dual operation (i.e. heralded noiseless attenuator) on non-Gaussian states has been examined. We have observed that the mean-field amplitude may decrease in the process of noiseless amplification (or may increase in the process of noiseless attenuation), a very counterintuitive effect that Gaussian states cannot exhibit. This work illustrates the above-mentioned phase-to-state space interplay since these devices are defined as simple filtering operations in state space but inferring their action on phase-space quantities such as the mean-field amplitude is not straightforward. It also illustrates the difficulty of dealing with non-Gaussian states in Gaussian transformations (these noiseless devices are probabilistic but Gaussian). Furthermore, we have exhibited an experimental proposal that could be used to test this counterintuitive feature. The proposed set-up is feasible with current technology and robust against usual inefficiencies that occur in optical experiment. <p>Noiseless amplification and attenuation represent new important tools, which may offer interesting perspectives in quantum optical communications. Therefore, further understanding of these transformations is both of fundamental interest and important for the development and analysis of protocols exploiting these tools. Our work provides a better understanding of these transformations and reveals that the intuition based on ordinary (deterministic phase-insensitive) amplifiers and losses is not always applicable to the noiseless amplifiers and attenuators.<p>In the last part of this thesis, we have considered the entropic characterization of some of the most fundamental Gaussian transformations in quantum optics, namely a beam splitter and two-mode squeezer. A beam splitter effects a simple rotation in phase space, while a two-mode squeezer produces a Bogoliubov transformation. Thus, there is a well-known phase-space characterization in terms of symplectic transformations, but the difficulty originates from that one must return to state space in order to access quantum entropies or entanglement. This is again a hard problem, linked to the above-mentioned interplay in the reverse direction this time. As soon as non-Gaussian states are concerned, there is no way of calculating the entropy produced by such Gaussian transformations. We have investigated two novel tools in order to treat non-Gaussian states under Gaussian transformations, namely majorization theory and the replica method.<p>In Chapter 4, we have started by analyzing the entanglement generated by a beam splitter that is fed with a photon-number state, and have shown that the entanglement monotones can be neatly combined with majorization theory in this context. Majorization theory provides a preorder relation between bipartite pure quantum states, and gives a necessary and sufficient condition for the existence of a deterministic LOCC (local operations and classical communication) transformation from one state to another. We have shown that the state resulting from n photons impinging on a beam splitter majorizes the corresponding state with any larger photon number n’ > n, implying that the entanglement monotonically grows with n, as expected. In contrast, we have proven that such a seemingly simple optical component may have a rather surprising behavior when it comes to majorization theory: it does not necessarily lead to states that obey a majorization relation if one varies the transmittance (moving towards a balanced beam splitter). These results are significant for entanglement manipulation, giving rise in particular to a catalysis effect.<p>Moving forward, in Chapter 5, we took the step of introducing the replica method in quantum optics, with the goal of achieving an entropic characterization of general Gaussian operations on a bosonic quantum field. The replica method, a tool borrowed from statistical physics, can also be used to calculate the von Neumann entropy and is the last line of defense when the usual definition is not practical, which is often the case in quantum optics since the definition involves calculating the eigenvalues of some (infinite-dimensional) density matrix. With this method, the entropy produced by a two-mode squeezer (or parametric optical amplifier) with non-trivial input states has been studied. As an application, we have determined the entropy generated by amplifying a binary superposition of the vacuum and an arbitrary Fock state, which yields a surprisingly simple, yet unknown analytical expression. Finally, we have turned to the replica method in the context of field theory, and have examined the behavior of a bosonic field with finite temperature when the temperature decreases. To this end, information theoretical tools were used, such as the geometric entropy and the mutual information, and interesting connection between phase transitions and informational quantities were found. More specifically, dividing the field in two spatial regions and calculating the mutual information between these two regions, it turns out that the mutual information is non-differentiable exactly at the critical temperature for the formation of the Bose-Einstein condensate.<p>The replica method provides a new angle of attack to access quantum entropies in fundamental Gaussian bosonic transformations, that is quadratic interactions between bosonic mode operators such as Bogoliubov transformations. The difficulty of accessing entropies produced when transforming non-Gaussian states is also linked to several currently unproven entropic conjectures on Gaussian optimality in the context of bosonic channels. Notably, determining the capacity of a multiple-access or broadcast Gaussian bosonic channel is pending on being able to access entropies. We anticipate that the replica method may become an invaluable tool in order to reach a complete entropic characterization of Gaussian bosonic transformations, or perhaps even solve some of these pending conjectures on Gaussian bosonic channels.<p> / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Quantum key distribution (QKD) protocols are intended to allow cryptographic keys to be generated and distributed in way that is provably secure based on inherent limitations, such as the no-cloning principle, imposed by quantum mechanics. This unique advantage compared with classical cryptography comes with an added difficulty: key bits in QKD protocols are encoded in analogue quantum states and their preparation is consequently subject to the usual imprecisions inevitable in any real world experiment. The negative impact of such imprecisions is illustrated for the BB84 QKD protocol. Following this, the main part of this thesis is concerned with the incorporation of such imprecisions in security proofs of the BB84 and two semi-device-independent protocols against the class of collective attacks. On a technical level, by contrast with the vast majority of security proofs developed since the turn of the century, in which recasting the protocol into an equivalent entanglement-based form features heavily in the analysis, the main results obtained here are approached directly from the prepare-and-measure perspective and in particular the connection with the no-cloning theorem and an early security proof by Fuchs et al. against the class of individual attacks is emphasised.<p><p>This thesis also summarises, as an appendix, a separate project which introduces and defines a hierarchy of polytopes intermediate between the local and no-signalling polytopes from the field of Bell nonlocality. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

L'objectif de ce travail de recherche est l'étude des posibilités offertes par une nouvelle approche de l'information quantique basée sur des variables quantiques continues. Lorsque ces variables continues sont portées par le champs éléctromagnétique, un grand nombre de protocoles d'information quantique peuvent être implémentés à l'aide de lasers et d'éléments d'optique linéaire standards. Cette simplicité expérimentale rend cette approche très intéressantes d'un point de vue pratique, en particulier pour le développement des futurs réseaux de communications quantiques.<p><p>Le travail peut se diviser en deux parties complémentaires. Dans la première partie, plus fondamentale, la relation complexe qui existe entre l'intrication et la nonlocalité de la mécanique quantique est étudiée sur base des variables optiques continues. Ces deux ressources étant essentielles pour l'information quantique, il est nécessaire de bien les comprendre et de bien les caractériser. Dans la seconde partie, orientée vers des applications concrètes, le problème de la correction d'erreur à variables continues est étudié. Pouvoir transmettre et manipuler l'information sans erreurs est nécessaire au bon développemnent de l'information quantique, mais, en pratique, les erreurs sont inévitables. Les codes correcteurs d'erreurs permettent de détecter et corriger ces erreures de manière efficace.<p> / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La montée exponentielle du trafic de données liée au développement de l’interconnexion entre objets et personnes sur la toile nécessite de nouvelles technologies. Au cours de la dernière décennie, les peignes de fréquences optiques ont révolutionné le secteur des télécommunications, ouvrant la voie à une transmission de données à un débit de données auparavant inaccessible. Mis à part le domaine des télécommunications, les peignes de fréquences optiques ont été avantageusement exploités dans d’autres domaines comme la détection optique, la détection chimique, les horloges optiques… L'efficacité du phénomène de mélange à quatre ondes, qui sous-tend la génération des peignes de fréquences, dépend de manière significative des pertes par propagation dans les guides d’ondes optiques et, par conséquent, de la rugosité de ces derniers. De plus, l'absorption intrinsèque du matériau réduit l'efficacité des phénomènes non linéaires tout en contribuant à l’atténuation du signal lumineux dans le milieu optique de propagation. Grâce à la maturité des procédés de fabrication dits CMOS, la rugosité peut être réduite en optimisant la gravure, tandis que l’absorption peut être réduite par des traitements thermiques. L'utilisation d'un matériau CMOS permet donc une fabrication à faible coût et la co-intégration avec d’autres dispositifs optoélectroniques sur la même puce. Le nitrure de silicium sur isolant est une plateforme prometteuse pour la génération de peignes de fréquences optiques grâce à la faible absorption à deux photons dans ce matériau par rapport au silicium cristallin. Cependant, le nitrure présente une absorption dans la bande des télécommunications relié à la présence des liens moléculaires N-H. Tandis que des recuits à haute température ont été utilisés pour réduire le contenu en hydrogène du film et démontrer avec succès la génération de peignes de fréquence, ces procédés rendent la co-intégration monolithique de ces dispositifs en nitrure de silicium avec une optoélectronique à base de silicium très difficile, réduisant ainsi considérablement sa compatibilité avec les autres matériaux CMOS. Dans cette thèse, nous décrivons la conception, la fabrication et les caractérisations de circuits photoniques non-linéaires en nitrure de silicium sans recuit. En particulier, nous avons mis au point un procédé de fabrication de films de Si3N4 d'une épaisseur de 740 nm, sans utilisation de recuit et avec une maitrise de la gestion des contraintes typiquement associées à ce type de matériau pour l’optique non linéaire. Cette approche offre une compatibilité de fabrication technologique avec la photonique sur silicium. Des preuves expérimentales montrent que les micro-résonateurs utilisant de tels films de nitrure de silicium sans recuit sont capables de générer un peigne de fréquence s'étendant sur 1300-2100 nm via une oscillation paramétrique optique basée sur du mélange à quatre ondes. En allant encore plus loin, nous présentons également les travaux d’optimisation technologique portant sur des microrésonateurs en nitrure de silicium recuits avec des guides d’onde à fort confinement modal, qui nous ont permis d’atteindre des pertes de propagation record. Ces résultats ont été rendus possible grâce à une optimisation fine des étapes de gravure des guides d’onde ainsi qu’à l'utilisation de traitements thermiques-chimiques efficaces. Cette nouvelle approche nous a permis de démontrer par ailleurs des sources de peignes de fréquences intégrées sur puce utilisant des résonateurs en nitrure de silicium couplés par aboutement à un laser III-V DFB utilisé comme une pompe. Cette preuve de concept prouve la validité de notre plateforme de circuits photoniques non-linéaires en Si3N4 pour la réalisation de peignes de fréquences optiques ultra-compacts à faible consommation. / The data traffic need for ultra-high definition videos as well as for the mobile data continues to grow. Within the last decade, optical frequency combs have revolutionized the telecommunications field and paved the way for groundbreaking data transmission demonstrations at previously unattainable data rates. Beside the telecommunications field, optical frequency combs brought benefits also for many other applications such as precision spectroscopy, chemical and bio sensing, optical clocks, and quantum optics. The efficiency of the four-wave mixing phenomenon from which the optical frequency comb arises critically depends on the propagation losses and consequently on the device roughness induced by the lithography and the etching processes. In addition, the bulk material absorption reduces the efficiency of the nonlinear phenomena. By using state-of-the-art complementary metal oxide semiconductor processes, the roughness can be reduced thanks to the maturity of the manufacturing, while the material bulk absorption can be reduced by thermal treatments. In addition, using a CMOS material enables a low-cost fabrication and the co-integration with electronic devices into the same chip. Silicon-nitride-on-insulator is an attractive CMOS-compatible platform for optical frequency comb generation in the telecommunication band because of the low two-photon absorption of silicon nitride when compared with crystalline silicon. However, the as deposited silicon nitride has a hydrogen related absorption in the telecommunication band. Although high-temperature annealing has been traditionally used to reduce the hydrogen content and successfully demonstrate silicon nitride-based frequency combs, this approach made the co-integration with silicon-based optoelectronics elusive, thus reducing dramatically its effective complementary metal oxide semiconductor compatibility. In this thesis, we report on the fabrication and test of annealing-free silicon nitride nonlinear photonic circuits. In particular, we have developed a process to fabricate low-loss, annealing-free and crack–free Si3N4 740-nm-thick films for Kerr-based nonlinear photonics, featuring a full process compatibility with front-end silicon photonics. Experimental evidence shows that micro-resonators using such annealing-free silicon nitride films are able to generate a frequency comb spanning 1300-2100 nm via optical parametrical oscillation based on four-wave mixing. In addition, we present the further optimized technological process related to annealed silicon nitride optical devices using high-confinement waveguides, allowing us to achieve record-low losses. This was enabled via a carefully tailored patterning etching process and an annealing treatment particularly efficient due to the already low hydrogen content in our as-deposited silicon nitride. Such improved Si3N4 platform allowed us to demonstrate on-chip integrated Kerr frequency comb sources using silicon nitride resonators that were butt-coupled to a III-V DFB laser used as a pump source. This proof of concept proves the validity of our approach for realizing fully packaged compact optical frequency combs.

In this thesis we have studied different aspects of the novel field of quantum information with continuous variables. The higher efficiency and bandwidth of homodyne detection combined with the easiness of generation and manipulation of Gaussian states makes continuous-variable quantum information a promising and flourishing field of research. This dissertation is divided in two parts. The first part explores two applications of the “photon subtraction” operation; Firstly, a technique to generate highly non-Gaussian single-mode states of light; Secondly, an experimental setup capable of realizing a loophole-free Bell test. The second part of this dissertation develops a detailed analysis of an important family of continuous-variable quantum key distribution protocols, namely those based on Gaussian modulation of Gaussian states./Dans cette thèse on a étudié différents aspects de l'information quantique à variables continues. Les meilleures efficacité et bande passante de la détection homodyne combinées à la simplicité de génération et de manipulation d'états gaussiens rend l'information quantique à variables continues un domaine de recherche très prometteur, qui est actuellement en plein essor. La dissertation est divisée en deux parties. La première explore deux applications de l'opération “soustraction de photon”; en premier lieu on présente une nouvelle technique capable de générer des états mono-modaux de la lumière hautement non-gaussiens; deuxiemement on présente un schéma expérimental capable de réaliser un test de Bell sans faille logique. La deuxième partie de cette dissertation développe une étude détaillée d'une famille très importante de protocoles de distribution quantique de clé à variables continues, ceux basés sur la modulation gaussienne d'états gaussiens. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

In this thesis we have studied different aspects of the novel field of quantum information with continuous variables. The higher efficiency and bandwidth of homodyne detection combined with the easiness of generation and manipulation of Gaussian states makes continuous-variable quantum information a promising and flourishing field of research. This dissertation is divided in two parts. The first part explores two applications of the “photon subtraction” operation; Firstly, a technique to generate highly non-Gaussian single-mode states of light; Secondly, an experimental setup capable of realizing a loophole-free Bell test. The second part of this dissertation develops a detailed analysis of an important family of continuous-variable quantum key distribution protocols, namely those based on Gaussian modulation of Gaussian states./Dans cette thèse on a étudié différents aspects de l'information quantique à variables continues. Les meilleures efficacité et bande passante de la détection homodyne combinées à la simplicité de génération et de manipulation d'états gaussiens rend l'information quantique à variables continues un domaine de recherche très prometteur, qui est actuellement en plein essor. La dissertation est divisée en deux parties. La première explore deux applications de l'opération “soustraction de photon”; en premier lieu on présente une nouvelle technique capable de générer des états mono-modaux de la lumière hautement non-gaussiens; deuxiemement on présente un schéma expérimental capable de réaliser un test de Bell sans faille logique. La deuxième partie de cette dissertation développe une étude détaillée d'une famille très importante de protocoles de distribution quantique de clé à variables continues, ceux basés sur la modulation gaussienne d'états gaussiens.

Je présente dans une première partie mes travaux de recherche sur les microcavités semi-conductrices en régime de couplage fort exciton-photon. Les modes propres dans ces systèmes sont des états mixtes exciton-photon appelés polaritons de cavité, qui présentent de fortes non-linéarités optiques provenant de l'interaction exciton-exciton. Je présente plusieurs applications de ces dispositifs dans les domaines de l'optique quantique (compression du bruit quantique, génération de faisceaux corrélés) des communications optiques et de l'opto-électronique de spin.<br /><br />J'aborde dans la deuxième partie mes activités théorique et expérimentale autour de la spectroscopie de l'ion H2+. Le but de l'expérience, qui a débuté en 2003 à l'université d'Evry, est de mesurer la fréquence d'une transition vibrationnelle à deux photons sans effet Doppler, et de la comparer à des prédictions théoriques précises pour en déduire une nouvelle détermination du rapport mp/me. Je décris les progrès des calculs de haute précision sur l'ion H2+ (niveaux d'énergie non relativistes, structure hyperfine), ainsi que le dispositif expérimental mis en place et les perspectives de l'expérience.

Dans ce mémoire, nous présentons d'une part la réalisation expérimentale d'une mesure quantique non destructive (qnd) en optique et, d'autre part, la contribution apportée a des expériences futures de piège dipolaire optique et d'électrodynamique quantique en cavité en régime de couplage fort. L'objectif d'un dispositif de mesure qnd est de contrôler l'action en retour imposée par la mécanique quantique, qui se produit sur un système soumis a une mesure. Il est en effet possible de rejeter cette perturbation entièrement sur l'observable conjuguée de celle mesurée, laissant celle-ci inchangée. Dans le domaine de l'optique, il s'agit de l'amplitude et de la phase du champ electromagnetique. L'expérience réalisée utilise le couplage par effet kerr croise de deux faisceaux lasers dans un milieu non-lineaire. Ce milieu est compose d'un piège magneto-optique de rubidium place dans une cavité optique doublement résonnante. La structure a trois niveaux en lambda que nous avons retenue permet de coupler l'intensité du faisceau signal a la phase du faisceau mesure. Nous présentons également une comparaison entre les résultats expérimentaux obtenus et les prédictions théoriques d'un modèle d'atomes a trois niveaux. L'accord est très satisfaisant et cette expérience détient, a ce jour, le record mondial d'efficacité qnd. En dernier lieu, nous envisageons une nouvelle série d'expérience qui a pour but, dans un premier temps, de piéger des atomes grâce a la force dipolaire optique résultant d'un fort gradient d'intensité laser ; et, dans un second temps, d'observer des phénomènes spécifiques au régime d'électrodynamique quantique en cavité en régime de couplage fort. Les travaux préliminaires présentés ici, concerne la conception optique d'un objectif et d'une cavite de tres grande ouverture numérique, qui ont été montes, règles et caractérisés. La réalisation de ce système optique laisse présager des perspectives d'expériences originales et non réalisées a ce jour, dans le domaine des longueurs d'ondes optiques.