Cette thèse a consisté à mettre en place une nouvelle expérience utilisant des atomes froids en interaction avec la lumière guidée par une nanofibre optique. Nous avons tout d'abord développé un banc de fabrication de nanofibres. En chauffant et étirant une fibre optique commerciale, on obtient un cylindre de silice de 400 nm de diamètre. La lumière guidée dans ces nanofibres est fortement focalisée sur toute la longueur de la fibre et exhibe de forts champs évanescents, ce qui permet d'obtenir une grande profondeur optique avec un faible nombre d'atomes. Après avoir inséré une nanofibre au milieu d'un nuage d'atomes, nous avons observé le phénomène de lumière lente dans les conditions de transparence électromagnétiquement induite. Nous avons aussi stoppé la lumière guidée et mémorisé l'information qu'elle contenait. Nous avons montré que ce protocole de mémoire optique fonctionne pour des impulsions lumineuses contenant moins d'un photon en moyenne. Ce système pourra donc être utilisé comme une mémoire quantique, un outil essentiel pour les futurs réseaux de communication quantique. Enfin, nous avons piégé les atomes dans un réseau optique au voisinage de la nanofibre grâce à de la lumière guidée par celle-ci. Par rapport à notre première série d'expériences, le nuage ainsi obtenu a un temps de vie plus long (25 ms) et interagit plus fortement avec la lumière guidée (OD ~ 100). Ce nouveau système devrait permettre d'implémenter efficacement d'autres protocoles d'optique quantique, comme la génération de photons uniques et l'intrication de deux ensembles atomiques distants. / We built a new experiment using cold atoms interacting with the light guided by an optical nanofiber. We first developed a nanofiber manufacturing bench. By heating and stretching a commercial optical fiber, a silica cylinder of 400 nm diameter is obtained. The light guided in these nanofibers is strongly focused over the whole length and exhibits strong evanescent fields. We then prepared a vacuum chamber and the laser system necessary for the manipulation of cold atoms. After inserting a nanofiber amid a cloud of cold atoms, we observed the phenomenon of slow light under the conditions of electromagnetically induced transparency: the light guided by the fiber is slowed down to a speed 3000 times smaller than its usual speed. We also stored the light guided by an optical fiber. After several microseconds, the information stored as a collective atomic excitation could be retrieved in the fiber. We have shown that this optical memory works for light pulses containing less than one photon on average. This system may therefore be used as a quantum memory, an essential tool for future quantum communication networks. Finally, we trapped atoms in an array in the vicinity of the nanofiber thanks to the light guided by the latter. Compared to our first set of experiments, the resulting cloud has a longer lifetime (25 ms) and interacts more strongly with the guided light (OD ~ 100). This new system should allow to efficiently implement other quantum optics protocols, such as the generation of single photons, or the entanglement of two remote atomic ensembles.

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.

Dans de nombreux domaines de la physique, la mesure de la position d'un objet dans l'espace-temps est faite par échange d'impulsions lumineuses. Dans cette thèse, nous étudions les limites quantiques dans l'estimation d'un paramètre à l'aide de la lumière, et nous nous intéressons à ces limites dans une mesure de distance à l'aide de peignes de fréquences optiques. Dans un premier temps, nous étudions les limites générales d'une estimation de paramètre données par la limite de Cramér-Rao quantique. En particulier, nous présentons la limite de sensibilité dans une estimation faite à l'aide d'états Gaussiens multimodes et démontrons qu'il est possible d'atteindre la limite théorique à l'aide d'un montage expérimental simple. Dans un deuxième temps, nous appliquons cette limite au problème de positionnement dans l'espace-temps à l'aide de peignes de fréquence. Dans un environnement contrôlé tel que le vide, nous montrons que la sensibilité optimale dépasse celle d'un montage interférométrique ou de temps de vol et peut être obtenue à l'aide de techniques de mise en forme d'impulsion. Nous démontrons expérimentalement la limite quantique standard dans une mesure de distance. Dans un dernier temps, nous étudions comment ce protocole optimal est affecté lorsque la dispersion de l'environnement, par exemple dans l'air, entre en jeu. Nous montrons que la perte d'exactitude due aux fluctuations de l'environnement peut être compensée au prix d'une diminution de la précision. Nous présentons un protocole expérimental pour une mesure en temps réel d'une distance insensible aux perturbations atmosphériques. / In many fields of physics, the determination of the space-time position of an object is performed at high levels of accuracy and precision by the exchange of light pulses. In this thesis, we investigate the quantum limits in a parameter estimation scheme using light in a practical point of view, and we study how these limits apply in a range-finding scheme using optical frequency combs. In a first part, we study the quantum limits in a general parameter estimation problem by the means of the quantum Cramér-Rao bound. We focus on schemes involving multimode Gaussian states and derive the limits of sensitivity in the estimation of any parameter encoded in such states. We show that a simple experimental setup allows to optimally measure the parameter carried by the light. In a second part, we study how these limits apply in a range-finding protocol using optical frequency combs. In a well-controlled environment such as vacuum, we show that there exists an optimal scheme, requiring pulse shaping techniques, which sensitivity is better than the usual phase interferometry and time-of-flight measurements. We present experimental results that exhibits the standard quantum limit in space-time positioning. In the last part, we study the limitations introduced to this optimal scheme when the environment is weakly dispersive, like in air. We demonstrate that the loss of accuracy caused by such environmental fluctuations can be compensated at the expense of a reduced sensitivity. We propose an experimental scheme that allows to perform a real-time ranging measurement immune from atmospheric perturbations, without any knowledge of the values of the environmental parameters.

Les phénomènes quantiques les plus fondamentaux comme la cohérence quantique et l’intrication sont aujourd'hui explorés pour réaliser de nouvelles technologies. C'est le domaine des technologies quantiques, qui promettent de révolutionner le calcul, la communication et la métrologie. En encodant l'information dans les systèmes quantiques, il serait possible de résoudre des problèmes inaccessibles aux ordinateurs classiques, de garantir une sécurité absolue dans les communications et de développer des capteurs dépassant les limites classiques de précision. Les photons uniques, en tant que vecteurs d'information quantique, ont acquis un rôle central dans ce domaine, car ils peuvent être manipulés facilement et être utilisés pour mettre en œuvre de nombreux protocoles quantiques. Pour cela, il est essentiel de développer des interfaces très efficaces entre les photons et les systèmes quantiques matériels, tels les atomes uniques, une fonctionnalité fondamentale à la fois pour la génération et la manipulation des photons. La réalisation de tels systèmes dans l'état solide permettrait de fabriquer des dispositifs quantiques intégrés et à large échelle. Dans ce travail de thèse, nous étudions l'interface lumière-matière réalisée par une boîte quantique unique, utilisée comme un atome artificiel, couplée de façon déterministe à une cavité de type micropilier. Un tel dispositif s'avère être un émetteur et un récepteur efficace de photons uniques, et il est utilisé ici pour implémenter des fonctionnalités quantiques de base. Tout d'abord, sous une excitation optique résonante, nous montrons comment nos composants sont des sources très brillantes de photons uniques. L’accélération de l'émission spontanée de la boîte quantique dans la cavité et le contrôle électrique de la structure permettent de générer des photons très indiscernables avec une très haute brillance. Cette nouvelle génération de sources de photons uniques peut être utilisée pour générer des états de photons intriqués en chemin appelés états NOON. Ces états intriqués sont des ressources importantes pour la détection de phase optique, mais leur caractérisation optique a été peu étudiée jusqu’à présent. Nous présentons une nouvelle méthode de tomographie pour caractériser les états de NOON encodés en chemin et implémentons expérimentalement cette méthode dans le cas de deux photons. Enfin, nous étudions le comportement de nos composants comme filtres non-linéaires de lumière. L'interface optimale entre la lumière et la boîte quantique permet l'observation d'une réponse optique non-linéaire au niveau d'un seul photon incident. Cet effet est utilisé pour démontrer le filtrage des états Fock à un seul photon à partir d’impulsions classiques incidentes. Ceci ouvre la voie à la réalisation efficace d’interactions effectives entre deux photons dans un système à l’état solide, une étape fondamentale pour surmonter les limitations dues au fonctionnement probabilistes des portes optiques linéaires. / Quantum phenomena can nowadays be engineered to realize fundamentally new applications. This is the field of quantum technology, which holds the promise of revolutionizing computation, communication and metrology. By encoding the information in quantum mechanical systems, it appears to be possible to solve classically intractable problems, achieve absolute security in distant communications and beat the classical limits for precision measurements. Single photons as quantum information carriers play a central role in this field, as they can be easily manipulated and can be used to implement many quantum protocols. A key aspect is the interfacing between photons and matter quantum systems, a fundamental operation both for the generation and the readout of the photons. This has been driving a lot of research toward the realization of efficient atom-cavity systems, which allows the deterministic and reversible transfer of the information between the flying photons and the optical transition of a stationary atom. The realization of such systems in the solid-state gives the possibility of fabricating integrated and scalable quantum devices. With this objective, in this thesis work, we study the light-matter interface provided by a single semiconductor quantum dot, acting as an artificial atom, deterministically coupled to a micropillar cavity. Such a device is shown to be an efficient emitter and receiver of single photons, and is used to implement basic quantum functionalities.First, under resonant optical excitation, the device is shown to act as a very bright source of single photons. The strong acceleration of the spontaneous emission in the cavity and the electrical control of the structure, allow generating highly indistinguishable photons with a record brightness. This new generation of single photon sources can be used to generate path entangled NOON states. Such entangled states are important resources for sensing application, but their full characterizatiob has been scarcely studied. We propose here a novel tomography method to fully characterize path entangled N00N state and experimentally demonstrate the method to derive the density matrix of a two-photon path entangled state. Finally, we study the effect of the quantum dot-cavity device as a non-linear filter. The optimal light matter interface achieved here leads to the observation of an optical nonlinear response at the level of a single incident photon. This effect is used to demonstrate the filtering of single photon Fock state from classical incident light pulses. This opens the way towards the realization of efficient photon-photon effective interactions in the solid state, a fundamental step to overcome the limitations arising from the probabilistic operations of linear optical gates that are currently employed in quantum computation and communication.

Dans le domaine de l’information quantique, les photons apparaissent comme de parfaits bits quantiques (qubits) pour le transport de l’information d’un point à un autre. Ce besoin de photons uniques sur demande, où un et un seul photon est émis avec une bonne fiabilité, conduit à une recherche considérable dans le développement de sources de photons efficace. Un paramètre clé est la brillance, défini comme la probabilité qu’un photon émis par l’émetteur soit collecté. Pour certaines applications, il est également important que tous les photons émis soient tous identiques. On dit alors qu’ils sont indiscernables, dans ce cas les photons peuvent interagir et interférer entre eux. Pour obtenir la source idéale de photons uniques et indiscernables avec une brillance égale à un, de nombreuses pistes sont explorées avec différents émetteurs tels que des défauts dans le diamant, des ions ou des atomes piégés, des molécules uniques ou des boîtes quantiques semiconductrices.En couplant une boîte quantique avec une cavité optique, l’émission spontanée est de la boîte quantique est modifiée pour obtenir des sources brillantes de photons uniques. Une technique innovante développée dans l’équipe du Pr. Pascale Senellart au Laboratoire de Photonique et Nanostructures (LPN) du CNRS permet de fabriquer des sources brillantes de manière reproductible avec une excellente fiabilité.Ce travail explore les performances de boîtes quantiques uniques couplées dans des micropiliers. Diverses techniques sont utilisées pour augmenter la pureté des photons uniques et leur indiscernabilité tout en maintenant une brillance élevée. Dans un premier temps, une structure de cavité adiabatique a été utilisée pour obtenir une plus grande accélération de l’émission spontanée des BQs par effet Purcell. Ces sources ont utilisées pour réaliser un réseau où les photons émis par différentes sources interfèrent. Ensuite, une technique pour appliquer une tension électrique sur les micropilliers a été développée. Grâce à cette technique et à une excitation optique résonante, des photons parfaitement indiscernables sont collectés avec une très bonne brillance.Les résultats présentés ouvrent de nombreuses perspectives pour diverses applications telles que la fabrication d’un réseau quantique, pour la cryptographie quantique, pour la métrologie ou pour la microscopie. / In the pursuit of developing a quantum information network, photons appear to be the most convenient carriers to interconnect distant ports. The need to get on-demand single photons that is one and only one photon, with a high reliability, is the main driving force for the development of bright solid-state sources. One important parameter is the brightness defined as the probability that one collected pulse contains a single photon. For some applications like quantum information processing or long distance quantum communications, the emitted single photons must be also indistinguishable, so that can make use of their quantum interference to implement effective photon-photon interactions. To reach the ideal source of single and indistinguishable photons, different systems are explored : defects in diamond (NV centers), trapped atoms or ions, single molecules or semiconductor quantum dots.By coupling a semiconductor quantum dot to an optical cavity, the spontaneous emission of the emitter can be modified to obtain bright single-photon sources. An innovative technique was developed by Pr. Pascale Senellart and her team at the Laboratory of Photonics and Nanostructures (LPN) from CNRS that allows making such sources in a very reproducible way.This work explores the performance of single quantum dot coupled to micropillars. Various techniques are used in order to increase the single photon purity and indistinguishability while keeping a high source brightness. First, the cavity was modified using an adiabatic architecture such that a strong acceleration of the spontaneous emission was implemented. Then, a technique to apply an electric bias on the micropillars has been developed. The combination of the electric bias with a resonant optical excitation of the quantum dot allows to generation purely indistinguishable photons with a high brightness.The results developed in this thesis open a vast field of novel applications in quantum technologies, from quantum cryptography, metrology to quantum imaging.

Le but de cette thèse est de développer des sources d’intrication photonique en vue d'applications en sciences information quantique. Dans ce contexte, nous présentons une source très performante et entièrement guidée permettant, au moyen d'une boucle de Sagnac, la génération d'états hyper-intriqués en polarisation et en énergie-temps. La configuration guidée rend le dispositif versatile, efficace et compatible avec une large bande spectrale, répondant ainsi au besoin des systèmes et réseaux de communication fibrés. À cette fin, nous avons distribué simultanément dans différents canaux télécoms des paires de photons hyper-intriqués au moyen de multiplexeurs en longueur d'onde à 5 canaux (DWDM), augmentant de fait le débit. La qualité de l'intrication est validée par la violation d'une inégalité de Bell étendue à un espace de Hilbert à 16 dimensions. Afin de pouvoir interfacer des photons aux longueurs d'ondes des télécommunications avec les bandes d'absorption des mémoires quantiques situées dans le visible, nous avons également développé une interface cohérente en longueur d'ondes. Un nouveau dispositif de métrologie quantique permettant la mesure avec une précision inégalée des effets de la dispersion chromatique dans les fibres optiques standards est également proposé. Notre approche "quantique" améliore la précision par un facteur 2.6 par rapport aux méthodes de mesures conventionnelles. Dans ce même contexte, nous avons aussi implémenté un nouveau protocole de métrologie de la phase de deux photons en ne détectant uniquement qu'un seul photon. Cette réalisation ouvre la voie à des applications potentielles simples s'appuyant sur peu de ressources au niveau de la détection. Finalement, dans la perspective de la miniaturisation de dispositifs quantiques, nous avons démontré un générateur d'intrication annoncée intégré sur puce qui trouve des applications en calcul et métrologie quantique. / The aim of this thesis was to develop photonic entanglement sources and study their implementation in the general field of quantum information technologies. To this end, a novel fully wave-guided, high performance photonic entanglement source is presented, able to generate hyper-entangled states in the observables of polarization and energy-time by means of a nonlinear Sagnac loop. The waveguide-based design makes it flexible, reliable, and adaptable to a wide spectral range, paving the way towards compact photonic entanglement generators, compatible with fiber-based communication systems and networks. This has been underlined by generating and distributing hyperentanglement in 5x2 dense wavelength division multiplexed channel telecom pairs, simultaneously, towards higher bit rates. The quality of the generated entanglement has been qualified by violating the Bell inequalities in a 16-dimension Hilbert space. Moreover, to adapt the wavelength of the entangled telecom photon pairs to the absorption wavelength of current quantum memory systems, a coherent wavelength converter is demonstrated. Furthermore, within the framework of quantum metrology, a new concept for a high-precision chromatic dispersion (CD) measurement in standard single mode fibers is introduced and demonstrated. In this demonstration, due to conceptual advantages enabled by quantum optics, an unprecedented 2.6 times higher accuracy on CD measurements is shown, compared to state-of-the-art techniques. In the same context, a new protocol for measuring two-photon phase shifts is performed using single photon detection only, promising scalable and potential real device applications with limited resources and simplified detection schemes. Finally, any potential application of quantum optics will be realized using small-scale devices. In this framework, an integrated on-chip heralded path entanglement generator is demonstrated, and shown to be adaptable to logic gate operations.

Cet exposé est scindé en deux grandes parties. Dans la première, nous estimons des constantes photo-physiques du saphir dopé au titane à partir d'un modèle analytique simple exploitant une théorie de Huang-Rhys pour la détermination du profil spectral des bandes simples et une hypothèse réaliste de superposition de ces dernières. Nous déterminons une formule pour l'indice de réfraction total du Ti:saphir en fonction de la concentration de dopant. Dans une seconde partie, nous évaluons, selon la vérification d'un concept, la capacité de laser sana inversion de populations pour un cristal dopé possédant une basse symétrie. Nous appuyons notre démonstration en établissant une condition de seuil généralisée d'effet laser. Ce concept pourrait être une rupture technologique dans le domaine des grands cristaux dopés et n'a pas encore été investigué par la communauté. / This presentation is split into two main parts. In the first, we estimate photo-physical constants of titanium doped sapphire from a simple analytical model using a Huang-Rhys theory for the determination of the spectral profile of simple bands and from a realistic hypothesis of superposition of the latter. We define a formula for the total refractive index of Ti:sapphire as a function of dopant concentration. In a second part, we evaluate, according to the verification of a concept, the laser capability without population inversion for a doped crystal with low symmetry. We support our demonstration by establishing a generalized laser threshold condition. This concept would be a technological breakthrough in the field of large doped crystals and has not yet been investigated by the community.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre de l'information quantique avec des variables continues, en utilisant des états quantiques du champ électromagnétique. En combinant les outils propres aux variables discrètes, o'u la lumière est décrite en termes de photons, avec les outils des variables continues, où la lumière est décrite en termes de quadratures, nous pouvons étudier théoriquement et produire expérimentalement des états non-classiques, ainsi que des protocoles élémentaires d'information quantique. Ainsi, nous avons produit expérimentalement un état "chat de Schrödinger", superposition quantique de deux états lumineux quasi-classiques, sur lequel nous avons appliqué une porte quantique introduisant une phase dans la superposition. Nous avons ensuite analysé la qualité de cette porte en utilisant un modèle simple de notre expérience. Nous nous sommes ensuite intéressés aux corrélations quantiques, mesurées par la discorde quantique, pour une classe d'états particulièrement importants en information quantique. Nous avons quantifié la précision de nos mesures en les comparant aux bornes de Cramér-Rao classique et quantique. Enfin, nous avons étudié théoriquement l'utilisation d'un amplificateur quantique non-déterministe en cryptographie quantique. Cet amplificateur possède la propriété de pouvoir amplifier des états quantiques sans en amplifier le bruit quantique associé. Ainsi, nous avons montré qu'il permet une amélioration de la distance maximale de transmission d'une clé secrète, ainsi qu'une amélioration de la résistance au bruit introduit par le canal quantique.

Dans les dernières années nombre de matériaux lamellaires à dimensions réduites ont démontré des propriétés optiques remarquables. Cependant, la plupart des études ont porté sur le système parfait et le rôle des défauts en tant que centres optiques actifs restent encore largement inexploré. Le nitrure de bore hexagonal (h-BN) est l'un des candidats les plus prometteurs pour les dispositifs émetteurs de lumière dans la région de l’UV lointain, présentant une forte émission excitonique à 5,8 eV. Cependant, émission n’apparaît uniquement que dans des monocristaux très purs qui peuvent difficilement être obtenus que par des procédés de synthèse complexes. Les échantillons ordinaires de h-BN présentent des spectres d'émission plus complexes qui ont été généralement été attribuée à la présence de défauts structuraux. Malgré un grand nombre d'études expérimentales jusqu'à présent il n'a pas été possible d'attribuer cette émission additionnelle à des défauts structuraux bien définis. Nous abordons ici cette question fondamentale en adoptant une approche théorique et expérimentale combinant une technique de cathodoluminescence nanométriquement résolu avec une caractérisation structural résolu atomiquement par microscopie électronique a transmission et de l'état de l'art de simulations excitoniques. Très récemment, l'équipe d'Orsay a mis au point un système de détection de cathodoluminescence intégré au sein d'un microscope électronique à transmission à balayage. Cette expérience unique est maintenant en mesure de fournir des spectres d'émission complet avec une résolution aussi faible que quelques dizaines de MeV associés à une taille de sonde électronique du nanomètre. Une image hyper-spectrale cathodoluminescence peut donc être enregistrée en parallèle avec une image HAADF. La cathodoluminescence résolu au nanomètre sur quelques-couche chimiquement exfoliée de h-BN a montré que les spectres d'émission sont fortement inhomogènes dans les feuillets individuels. Les pics d'émission à proximité de l'exciton libre apparaissent dans des régions étendues. Les examens complémentaires par microscopie électronique à transmission à haute résolution permettent d'associer ces raies d'émission avec des défauts étendue dans le cristal tels que les défauts d'empilement et les plis des facetter. Au moyen de calculs ab-initio dans le cadre de la « Many Body perturbation theory » (GW) et l'équation de Bethe-Salpeter nous fournissons une description détaillée de la structure électronique et la réponse spectroscopique du nitrure de bore hexagonal en présence de défaut d’empilements. En particulier, nous montrons un bon accord avec les résultats expérimentaux, les excitons supplémentaires sont associées à des changements de symétrie locaux qui se produisent par des fautes d'empilement dans le cristal. Ce résultat sera ensuite étendu à des nanotubes de BN à parois multiples. Des émissions supplémentaires qui apparaissent à l'intérieur du gap présentent une localisation spatiale élevée, typiquement inférieure à 100 nm, et par conséquent ils peuvent être liés à des défauts ponctuels individuels. Lorsqu’ils sont adressés individuellement à travers une sonde électronique très ciblé, ils pourraient avoir un caractère d’émetteur de photon unique. Cette hypothèse a été récemment confirmée par des expériences combinant notre système de cathodoluminescence avec un interféromètre Handburry-Brown et Twiss (HBT). / Within the latest years number of layered materials at reduced dimensions have demonstrated remarkable optical properties. However most studies focused on perfect system and the role of defects as optical active centers remain still largely unexplored. Hexagonal boron nitride (h-BN) is one of the most promising candidates for light emitting devices in the far UV region, presenting a single strong excitonic emission at 5.8 eV. However, a single line appears only in extremely pure mono-crystals that can hardly be obtained only though complex synthesis processes. Common h-BN samples present more complex emission spectra that have been generally attributed to the presence of structural defects. Despite a large number of experimental studies up to now it was not possible to attribute specific emission features to well identify defective structures. Here we address this fundamental question by adopting a theoretical and experimental approach combining few nanometer resolved cathodoluminescence techniques with high resolution transmission electron microscopy images and state of the art quantum mechanical simulations. Very recently, the Orsay team has developed a cathodoluminescence detection system integrated within a scanning transmission electron microscope. This unique experimental set up is now able to provide full emission spectra with a resolution as low as few tens of meV associated with an electron probe size of one nanometer. A cathodoluminescence hyper-spectral image can thus be recorded in parallel with an HAADF image. Nanometric resolved cathodoluminescence on few-layer chemically exfoliated h-BN crystals have shown that emission spectra are strongly inhomogeneous within individual flakes. Emission peaks close to the free exciton appear in extended regions. Complementary investigations through high resolution transmission electron microscopy allow to associate these emission lines with extended crystal deformation such as stacking faults and folds of the planes. By means of ab-initio calculations in the framework of Many Body Perturbation Theory (GW) approximation and Bethe-Salpeter equation) we provide an in-depth description of the electronic structure and spectroscopic response of bulk hexagonal boron nitride in the presence of extended morphological modifications. In particular we show that, in a good agreement with the experimental results, additional excitons are associated to local symmetry changes occurring at crystal stacking faults. These result will then be extended to faceted multiwalled BN nanotubes, they display additional emission at the same energy as characterized within the flakes.

Au cours des dernières années, le domaine de l'interaction lumière-matière a fait un pas de plus en avant avec l'avènement des qubits supraconducteurs couplés ultra-fortement à des guides d'ondes ouverts. Dans ce contexte, un qubit devient simultanément couplé à de nombreux modes du guide d'onde, se transformant ainsi en un objet hybride lumière-matière hautement intriqué. L'étude de nouveaux phénomènes dynamiques qui émergent de la grande complexité de ces systèmes quantiques à N-corps est l'objectif principal de cette thèse.Dans une première étape cruciale, nous abordons l'évolution dans le temps d'un tel système en utilisant une nouvelle technique numérique basée sur un développement complet du vecteur d'état en termes d'états cohérents multimodes. Inspirée par des approches semi-classiques antérieures, cette technique numériquement exacte fournit un progrès important par rapport aux méthodes de pointe qui ont été utilisées jusqu'à présent pour étudier le régime de couplage ultra-fort à N-corps. Fondamentalement, cette approche préserve également le détail de la dynamique du système complet réunissant le guide d'onde et le qubit, permettant à la fois d'effectuer la tomographie et d'extraire la diffusion multi-particule des degrés de liberté du guide d'onde.Une exploration du régime de couplage ultra-fort multi-mode utilisant cette nouvelle technique a conduit aux deux prédictions théoriques fondamentales de cette thèse. La première démontre que le rayonnement émis spontanément par un qubit excité prend la forme d'un chat de Schrödinger de lumière, un résultat étonnamment différent de l'émission de photon unique habituelle en optique quantique. La seconde prédiction concerne la diffusion de signaux cohérents de faible puissance sur un qubit, un protocole expérimental très courant en laboratoire. De façon remarquable, il est montré que la non-linéarité du qubit, transférée au guide d'onde par l'interaction ultra-forte avec la lumière, est capable de diviser les photons du faisceau entrant en plusieurs photons de plus basse énergie, conduisant à l'émergence d'un continuum basse fréquence dans le spectre de puissance, qui domine le signal hors-résonant. En étudiant la fonction de corrélation de second ordre dans le champ rayonné, il est également démontré que l'émission en couplage ultra-fort présente des signatures caractéristiques de la production de particules.Dans la dernière partie de la thèse, la fonction de corrélation de second ordre est à nouveau étudiée, mais cette fois expérimentalement, et dans le régime du couplage modéré. Bien que les mesures soient encore préliminaires, cette partie de la thèse présente un compte-rendu instructif de la théorie de la mesure du signal et permet de comprendre en détail la procédure expérimentale impliquée dans la mesure des signaux quantiques. De plus, à l'avenir, les développements expérimentaux et les outils de simulation décrits pourraient être appliqués aux signaux émis par des qubits ultra-fortement couplés, afin d'observer les signatures de production de particules révélées par la fonction de corrélation du second ordre. / In the recent years, the field of light-matter interaction has made a further stride forward with the advent of superconducting qubits ultra-strongly coupled to open waveguides. In this setting, the qubit becomes simultaneously coupled to many different modes of the waveguide, thus turning into a highly intricate light-matter object. Investigating the wealth of new dynamical phenomena that emerge from the high complexity of these engineered quantum many-body systems is the main objective of this thesis.As a first crucial step, we tackle the time-evolution of such a non-trivial system using a novel numerical technique based on an expansion of the full state vector in terms of multi-mode coherent states. Inspired by earlier semi-classical approaches, this numerically exact method provides an important advance compared to the state-of-the-art techniques that have been used so far to study the many-mode ultra-strong coupling regime. Crucially, it also keeps track of every detail of the dynamics of the complete qubit-waveguide system, allowing both to perform the tomography and to extract multi-particle scattering of the waveguide degrees of freedom.An exploration of the many-mode ultra-strong coupling regime using this new technique led to the two core theoretical predictions of this thesis. The first demonstrates that the radiation spontaneously emitted by an excited qubit takes the form of a Schrödinger cat state of light, a result strikingly different from the usual single-photon emission known from standard quantum optics. The second prediction concerns the scattering of low-power coherent signals on a qubit, a very common experimental protocol performed routinely in laboratories. Most remarkably, it is shown that the qubit non-linearity, transferred to the waveguide through the ultra-strong light-matter interaction, is able to split photons from the incoming beam into several lower-energy photons, leading to the emergence of a low-frequency continuum in the scattered power spectrum that dominates the inelastic signal. By studying the second-order correlation function of the radiated field, it is also shown that emission at ultra-strong coupling displays characteristic signatures of particle production.In the final part of the thesis, the second-order correlation function is investigated again, but this time experimentally, and in the regime of moderate coupling. Although the results are still preliminary, this part of the thesis will provide an instructive account of signal measurement theory and will allow to understanding in-depth the experimental procedure involved in measuring quantum microwave signals. Moreover, the experimental developments and microwave simulations tools described in this section could be applied in the future to signals emitted by ultra-strongly coupled qubits, in order to observe the signatures of particle production revealed by the second-order correlation function.