Lorsque l'on place des atomes suffisamment proches les uns des autres, l'interaction dipôle-dipôle résonante entre les atomes modifie leurs propriétés. Les atomes se comportent alors de manière collective. Ces effets collectifs se produisent lorsque les distances interparticulaires sont de l'ordre de l/(2Pi), où l est la longueur d'onde de la transition atomique. La densité atomique est alors de l'ordre de 10^14 at/cm^3. Afin de créer des échantillons d'atomes froids présentant des densités aussi élevées, nous avons mis en place plusieurs méthodes de chargement de nos pinces optiques de taille micrométrique. L'une d'elles utilise un processus d'évaporation forcée qui amène les atomes proches de la dégénérescence quantique. En utilisant des nuages denses contenant quelques centaines d'atomes à des densités spatiales élevées, et en étudiant les modifications de la diffusion de la lumière qui en résultent, nous avons pu mettre en évidence des effets collectifs entre les atomes. Nous avons par ailleurs mesuré le retard de Wigner associé à la diffusion élastique de la lumière par un atome unique de rubidium. Nous avons mesuré un retard proche de la valeur théorique, c'est-à-dire deux fois la durée de vie de la transition atomique (52 ns).

La distribution quantique de clé permet la transmission d'une clé de cryptage secrète entre deux interlocuteurs distants. Les lois de la physique quantique garantissent la sécurité inconditionnelle du transfert.<br />L'utilisation de variables continues dans le domaine de l'information quantique, récemment apparue, permet de concevoir des systèmes de distribution quantique de clé qui ne nécessitent que des composants standards de l'industrie des télécommunications. Ces composants ouvrent la voie vers les hauts débits caractéristiques des liaisons en fibres optiques.<br />Nous avons réalisé un système complet de distribution quantique de clé qui utilise l'amplitude et la phase d'états cohérents pulsés de la lumière modulées selon une distribution gaussienne. Notre système est exclusivement réalisé avec des fibres optiques, et atteint un taux de répétition de 1 MHz. Nous avons caractérisé l'information secrète transmise par ce dispositif. Nous avons validé cette caractérisation en réalisant des attaques quantiques originales qui couvrent l'ensemble des perturbations qui peuvent être envisagées sur la transmission.<br />Nous avons ensuite adapté des algorithmes de correction d'erreur et d'amplification de secret qui produisent une clé secrète à partir des données expérimentales. Enfin, nous avons conçu un ensemble logiciel autonome qui intègre la gestion de l'expérience aux algorithmes de correction d'erreur.<br />Ces travaux nous ont permis de distribuer une clé secrète sur une fibre de 25 km avec un taux finalde 1 kb/s. Le système que nous avons réalisé sera intégré dans un réseau de distribution quantique de clé faisant intervenir plusieurs collaborateurs européens.

Ce mémoire couvre l'ensemble de mes activités de recherche au laboratoire Charles Fabry, dans le groupe d'optique quantique dirigé par Philippe Grangier. Ces activités entrent dans le cadre de l'information quantique, discipline au carrefour de la théorie de l'information et de la mécanique quantique. Nous nous sommes ainsi attachés à synthétiser et à étudier différents états quantiques de la lumière, avec pour objectif la mise au point de protocoles de cryptographie quantique.

Cette thèse concerne l'étude des effets de propagation subis par des impulsions lumineuses de faible intensité lorsqu'elles se propagent dans des systèmes atomiques soumis à des champs intenses. Nous explorons aussi bien le régime d'impulsions longues que courtes et nous analysons les phénomènes qui se produisent à ces échelles de temps différents. En régime d'impulsions ultracourtes, un système atomique à deux niveaux soumis à un champ intense présente des déplacements lumineux transitoires, et des transitions non adiabatiques se produisent entre ces états. Nous avons étudié une méthode qui permette de sonder en temps réel ces déplacements lumineux en propageant un champ sonde de faible intensité. Les déplacements lumineux enrichissent le spectre de la sonde qui se trouve ainsi modifiée. Un système à deux niveaux peut se comporter alors comme un dispositif de mise en forme et peut induire sur le profil temporel d'une impulsion ultra courte des oscillations à une échelle de temps plus courte que la durée de l'impulsion. Nous montrons aussi qu'en excitant le système avec deux impulsions intenses non résonantes et décalées dans le temps, les effets non adiabatiques peuvent être dépendant de la phase. Ceci conduit à un contrôle très sensible par la phase de la population excitée. Cet effet peut être utilisée pour créer de nouvelles techniques en interférométrie. En régime d'impulsions longues, nous présentons une nouvelle méthode de ralentissement de la lumière qui peut être réalisée dans un système à deux niveaux double interagissant avec deux impulsions de lumière polarisées orthogonalement et se propageant selon des axes différents. La dépendance spatio-temporelle de la polarisation totale induit un réseau dans la cohérence Zeeman du fondamental. Le champ le plus intense (champ de contrôle) est diffracté par ce réseau dans la direction du champ sonde de faible intensité compensant l'absorption de ce dernier. Une fenêtre de transparence est alors créée dans le spectre d'absorption de ce champ conduisant au ralentissement de la lumière. La fenêtre de transparence exhibe alors des caractéristiques similaires à ceux obtenus par la méthode EIT (electromagnetic induced transparency). Toutefois la différence importante avec la méthode EIT est que dans notre cas aucun état noir n'est créé dans le système. Ceci ouvre la voie à la possibilité de ralentir la lumière dans des systèmes plus complexes. D'autre part, quand l'absorption (linéaire) du système est éliminée, la réponse non linéaire devient plus importante. Dans la situation où les champs se propagent dans la même direction et ont même fréquence, deux régimes d'interactions ont été étudiés. Pour de faibles épaisseurs optiques, la susceptibilité effective se comporte comme chi_lin exp[2 i phi] (avec phi la différence de phase entre champs). Ceci rend alors possible le contrôle de la réponse du milieu par la phase. Le milieu peut se transformer d'un absorbant à un amplificateur avec une dispersion normale ou anormale en ajustant la phase relative phi . En régime de large épaisseur optique, la saturation de la phase se produit et la susceptibilité effective se trouve changée en chi_lin*, modifiant un absorbant en un amplificateur sans affecter la réponse dispersive.

Notre équipe a obtenu en 2007 un condensat de Bose-Einstein de chrome 52Cr, élément possédant un fort moment magnétique dans son état fondamental. Cette propriété du chrome permet l'étude des effets sur ces systèmes quantiques de l'interaction entre dipôles magnétiques. Cette interaction se démarque de celles dominant habituellement la physique d'un condensat, dîtes de van der Waals, par son caractère longue portée et son anisotropie. Nous avons montré expérimentalement un décalage des fréquences d'oscillations collectives du condensat : la présence d'interaction dipolaire modifie la réponse du condensat à de faibles excitations. Nous avons également étudié les collisions inélastiques provoquées par l'interaction dipôle-dipôle, appelées relaxation dipolaire. Nous avons mesuré le taux de ce processus en fonction du champ magnétique, ce qui nous a notamment permis de déduire les longueurs de diffusion a6 = (103 +/- 4) aB et a4 = (64 +/- 4) aB du chrome. Nous avons aussi étudié la relaxation dipolaire en présence de réseaux optiques permettant de restreindre une ou plusieurs dimensions spatiales du système : nous mesurons une réduction du taux de collisions en dimensions réduites, voire même une annulation en géométrie cylindrique (1D). Enfin, nous avons observé une transition de phase quantique à très bas champ magnétique (B ~ 250 µG), entre un condensat de nature ferromagnétique et un condensat spinoriel non polarisé. Nous avons étudié la dynamique, fixée par l'interaction dipolaire, de démagnétisation du condensat lors de cette transition de phase, ainsi que la thermodynamique d'un tel spineur à magnétisation libre.

Le condensat de Bose-Einstein, équivalent atomique du laser en optique, est habituellement considéré comme un objet complètement cohérent. Mais ceci n'est vérifié que dans le cas de systèmes peu anisotropes. Pour des condensats fortement allongés, des fluctuations de phase apparaissent suivant l'axe long, ce qui implique une réduction de la longueur de cohérence de ces condensats. On parle alors de quasi-condensat. Dans ce mémoire, nous présentons deux études expérimentales portant sur la cohérence de condensats très allongés. La première étude a été réalisée sur des condensats à l'équilibre. La mesure de la longueur de cohérence a été effectuée par l'intermédiaire de la mesure de la fonction de corrélation à l'aide d'une méthode interférométrique. Nos résultats montrent la transition entre un condensat cohérent et un quasi-condensat, avec une longueur de cohérence diminuant avec l'augmentation de l'amplitude des fluctuations de phase. Nous avons par ailleurs observé le passage d'une forme gaussienne à une forme exponentielle pour la fonction de corrélation. La deuxième étude a porté sur la formation du condensat avec plus particulièrement l'étude de la cinétique de formation de la cohérence en phase. Nos résultats montrent tout d'abord une montée de la fraction condensée qualitativement identique à celle des condensats 3D sans fluctuation de phase. Enfin, nous avons mesuré la longueur de cohérence au cours de cette formation à l'aide de la spectroscopie de Bragg. Nos résultats montrent un établissement de la cohérence rapide comparé au temps de mise à l'équilibre de la fraction condensée.

Ce mémoire de thèse développe plusieurs thèmes autour de la condensation de Bose-Einstein. Il présente différents moyens pour produire des condensat de Bose et termine par une application du condensat : le laser à atomes. Notre dispositif expérimental utilise des matériaux ferromagnétiques pour générer le piège magnétique. Le champ au centre de notre pi'ege est de l'ordre de la centaine de Gauss. Avec un tel champ, le refroidissement évaporatif par radio-fréquence peut être perturbé ou même interrompu car les fréquences de transition entre sous-niveaux Zeeman adjacents en un point donné du piège magnétique sont différentes. Pour résoudre ce problème, nous avons réalisé l'évaporation avec plusieurs fréquences rf simultanément. Par ailleurs, nous avons produit simultan'ement deux condensats de Bose-Einstein dans des états internes différents par refroidissement sympathique. Un modèle thermodynamique simple permet de comprendre les différents scénarios d'apparition des condensats observés expérimentalement. De plus un calcul du taux de thermalisation par collisions élastiques entre les deux espèces montre à quelle condition les deux gaz restent thermalisés au cours du refroidissement sympathique. Enfin nous avons produit et étudié des faisceaux d'atomes issus de nuages ultra-froids par un coupleur radio-fréquence. Avec notre fort champ magnétique, la stabilité relative nécessaire pour obtenir des faisceaux continus est d'environ 1:10 000. Lorsque la stabilité n'est pas suffisante, nous montrons qu'une modulation de fréquence ou d'amplitude de la rf permet de régulariser le flux du faisceau de sortie.

Ce mémoire décrit plusieurs expériences pour lesquelles la quantification du champ électromagnétique joue un rôle essentiel dans la description théorique et la compréhension physique des phénomènes observés. En particulier, la nécessité de cette quantification apparaît à travers la mise en évidence d'un état d'un champ très proche d'un état de Fock, dans lequel un seul quantum est excité (état à un seul photon). Un état à un seul photon peut être caractérisé en utilisant deux photomultiplicateurs placés de part et d'autre d'une lame semi-réfléchissante : la probabilité d'observer deux photodétections pendant un temps w doit être beaucoup plus petite que le produit des probabilités de photodétections simples pendant le même temps. Cette propriété "non-classique", que nous désignons par le terme d'anticorrélation, est mise en évidence expérimentalement pour une cascade radiative du Calcium, en utilisant des techniques de comptages rapides. Nous avons ensuite réalisé une expérience d'interférences, avec la lumière ayant permis d'observer l'effet d'anticorrélation. En utilisant un interféromètre de Mach-Zehnder réglé au voisinage de la teinte plate, le contraste mesuré des franges d'interférences a été supérieur à 98%, en parfait accord avec les performances calculées de l'interféromètre. Nous présentons enfin deux autres expériences, qui illustrent de façon plus générale la notion d'interférence à un photon : une expérience de battements quantiques dans une cascade radiative excitée de façon continue, et un effet d'interférence apparaissant dans la fluorescence d'un système de deux atomes, obtenus par photodissociation d'une molécule Ca2 par une impulsion laser.

Cette thèse présente une étude de la fragmentation d'agrégats d'eau neutres induite par impact d'ions multichargés lents et rapides. L'étude, majoritairement réalisée dans le régime de capture dominant, montre que les patterns de fragmentation varient fortement avec la charge du projectile. L'agrégat se dissocie en de nombreux fragments chargés lorsque la charge du projectile est grande (q=20), tandis que la dissociation n'est trouvée que " partielle " dans le cas de projectiles de plus petites charges (q=2). Un chauffage plus important de l'agrégat est observé dans le cas des projectiles multichargés. Ces résultats sont à l'opposé de l'idée généralement admise selon laquelle ces ions très chargés sont des outils permettant d'ioniser de façon douce une cible depuis de grands paramètres d'impact et donc sans important transfert d'énergie. Ils sont interprétés comme la signature d'une redistribution d'une partie de l'énergie coulombienne sur les modes de liberté interne de ces agrégats moléculaires. Les résultats obtenus avec des ions de haute énergie Ni25+ (v=22 u.a), i.e. dans le régime d'ionisation, sont très similaires à ceux obtenus avec des ions Xe20+ (v=0,3 u.a.) dans le régime de capture électronique. Ces résultats suggèrent que même si les processus primaires sont différents, les " mêmes " électrons sont mis en jeu lors de la collision. D'importants développements expérimentaux ont par ailleurs permis de produire une cible d'agrégats d'eau protonés sélectionnés en taille à l'aide du couplage d'une source d'ionisation par electrospray avec un quadrupôle. Dans l'optique de réaliser de futures expériences de collision avec cette nouvelle cible et donc de s'approcher d'un bilan plus complet de la fragmentation, un banc source permettant de produire des faisceaux intenses d'ions monochargés a, par ailleurs, été conçu et réalisé.

Grâce à leurs propriétés originales de propagation de la lumière, les structures à cristal photonique présentent d’excellents atouts pour la réalisation de dispositifs de faibles dimensions et d’excellente qualité en vue du traitement classique ou quantique du signal. L’objectif de ce travail est de montrer l’exaltation des non linéarités du troisième ordre dans les structures à cristal photonique et de favoriser, grâce à des calculs théoriques et aux expériences conduites, la compréhension de ce phénomène aux multiples facettes. Nous montrons que la clé réside en la formidable capacité des cristaux photoniques à localiser la lumière en bord de bande interdite. Ce phénomène, directement relié au ralentissement de l’onde lumineuse à l’intérieur de la structure, permet de favoriser largement les processus non linéaire d’ordre trois. Au plan théorique, nous avons étudié, grâce à un formalisme matriciel étendu au cas non linéaire du mélange à quatre ondes, différentes structures 1D. Nous avons montré la forte exaltation de la réflectivité conjuguée en bord de bande interdite, celle-ci étant directement reliée à la forte localisation de la lumière à cette longueur d’onde. Les paramètres structuraux favorisant cette localisation sont également mis en évidence. Nous avons d’autre part mené différentes études spectroscopiques et résolues en temps sur des structures 1D à faible (CP II-VI) ou fort contraste (CP III-V) d’indice. Ces études ont montré que de très forts changements d’indice de réfraction sont possibles. Nous montrons également que de fortes densités de porteurs libres photo-générés par absorption multi photonique sont extrêmement favorisées en bord de bande interdite. Nous avons en outre étudié les structures 2D grâce à une décomposition en série de Fourier du réseau 2D et nous comparons les performances du cristal photonique 1D incliné et du cristal photonique 2D.