L'étude des structures fondamentales du traitement de l'information quantique est un défi majeur, dont l'un des objectifs est de mieux cerner les capacités et les limites de l'ordinateur quantique, tout en contribuant à sa réalisation physique notamment en s'intéressant aux ressources du calcul quantique. Les ressources d'un calcul quantique incluent le temps et l'espace mais également la taille des opérations utilisées et la quantité d'intrication. <br /> Cette thèse contribue de plusieurs manières à la recherche de ressources minimales dans le cadre de modèles de calcul quantique ouvrant de prometteuses perspectives de réalisations physiques. Ces modèles sont le calcul par consommation d'intrication et le calcul par mesures projectives. Cette thèse a également permis de réduire les ressources en temps et en espace nécessaires à la préparation de certains états quantiques, les états graphes. <br /> Etudier la réduction des ressources nécessite l'abstraction et la formalisation des modèles de calcul quantique mettant en évidence les structures même du traitement de l'information quantique. Le q-calcul et les machines de Turing contrôlées classiquement, introduits dans cette thèse, ont cet objectif. Des modèles plus spécifiques au calcul par consommation d'intrication, ou au calcul par mesures projectives sont également considérés.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Bien que le calcul quantique topologique soit tolérant aux fautes de manière intrinsèque à température nulle, cette protection topologique est perdue à toute température plus élevée. L'utilisation de méthodes servant à contrecarrer les effets délétères des excitations thermiques sera donc nécessaire pour construire un ordinateur quantique basé sur ces principes. Dans cette thèse, nous développons des outils de simulation numérique permettant l'analyse de systèmes donnant lieu à des anyons d’Ising. Nous présentons également une méthode de correction d'erreur pouvant être appliquée pour tout modèle anyonique non cyclique, abélien ou non. Cette procédure est fondée sur les travaux de Gács et de Harrington et est basée sur l'utilisation d'automates cellulaires. Une analyse détaillée démontre l'existence d'un taux de création d'excitations critique en deçà duquel l'information peut être protégée. Des simulations numériques permettent d’estimer ce dernier entre $10^{-4}$ et $10^{-3}$.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Nous avons mené une étude expérimentale du bruit de grenaille quantique dans une mono-couche de graphène. La conductance et l'effet Hall quantique ont été également examinés. Le modèle théorique, décrivant la conductance et le bruit quantique dans du graphène idéal (balistique) a été proposé par Tworzydlo et al., 2006. Dans du graphène diffusif, plus facilement réalisable expérimentalement, le bruit de grenaille a été étudié numériquement par plusieurs auteurs (San-Jose et al., 2007, Lewenkopf et al., 2008, Logoteta et al., 2013). Les conclusions des premiers travaux expérimentaux (DiCarlo et al., 2008 and Danneau et al., 2008) sur ce sujet n'en ont pas permis une compréhension suffisamment approfondi et des études complémentaires sont nécessaires. Dans notre expérience nous avons tenté de réduire au maximum les contributions du système de mesure sur le signal détecté en effectuant une mesure du bruit en tension quatre points et en utilisant la détection en cross-corrélation. En plus, notre système de mesure inclut des amplificateurs bas bruit cryogéniques faits maison combinés avec des filtres passe-bande alors que notre couche de graphène contient une constriction au centre. n utilisant les résultats des mesures de la conductance et de l'effet Hall quantique nous avons déterminé le libre parcours moyen dans notre échantillon et conclu qu'il est dans le régime diffusif. Les valeurs du facteur de Fano que nous avons extraites sont en bon accord avec les simulations pour ce régime, un pic au point de Dirac prévu par Lewenkopf et al. a été observé. D'autre part, nos résultats sont compatibles avec ceux de Danneau et al. and DiCarlo et al. / We have conducted an experimental study of the quantum shot noise in a mono-layer graphene device. Conductance of the device and the quantum Hall effect were also investigated. A theoretical model, describing conductance and quantum shot noise in ideal (ballistic) graphene was proposed by Tworzydlo et al., 2006. In diffusive graphene, that is much easier achievable experimentally, shot noise was investigated numerically by several authors (San-Jose et al., 2007, Lewenkopf et al., 2008, Logoteta et al., 2013). Conclusions of the first experimental works (DiCarlo et al., 2008 and Danneau et al., 2008), addressing this problem, didn’t lead to an enough broad understanding of it and a further investigation was required. In our experiment we intended to maximally reduce the contributions of the measurement system to the detected signal by performing four-point voltage noise measurement as well as by using cross-correlation detection. In addition to that, our measurement system include home-made cryogenic low-noise amplifiers combined with band-pass filters, while our experimental device carries a constriction in the center of graphene layer and side-gates are used instead of back-gate. First, using the results of the conductance and of the quantum Hall effect measurements we determined the mean free path in our sample and concluded that it was in diffusive regime. The extracted values of the Fano factor show a good agreement with the above-mentioned simulations for this regime, in particular, the peak at Dirac point, predicted by Lewenkopf et al., was observed. Moreover our results are consistent with those of Danneau et al. and DiCarlo et al.

Les états quantiques multimodes sont au coeur des protocoles detraitement quantique de l’information et de métrologie quantique. Àpartir d’un peigne de fréquence optique injectant un oscillateurparamétrique optique pompé en mode synchrone (SPOPO) nousavons généré des états multimodes en temps/fréquence. Unsimulateur quantique est alors mis en place à partir de ce SPOPO et demise en forme d’impulsion, et permet de mettre en évidence de étatsclusters pouvant compter jusque 12 noeuds et un protocole departage de secret quantique à six partenaires. De plus, une détectionmultipixel résolue en fréquence est développée et utilisée pourréaliser un état cluster linéaire à 8 noeuds. Nous avons égalementutilisé cette source pour développer un spectromètre ayant unesensibilité allant au delà de celle imposée par les fluctuations du videquantique. / Multimode squeezing plays an essential role in quantum informationprocessing and quantum metrology. Using optical frequency combs,we generate multi-temporal-mode state from a synchronouslypumped optical parametric oscillator (SPOPO). An on-demandquantum network simulator is developed using the SPOPO andultrafast pulse shaping; up-to-twelve-node cluster states and asix-partite quantum secret sharing protocol are experimentallyemulated with this simulator. Furthermore, frequency resolvedmultipixel detectors are employed, and used to realize aline-shape-eight-node cluster state. We also developed a multimodequantum spectrometer, which is able to exceed the standardquantum limit for measuring manifold parameters of ultrafast pulses.

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Nous considérons la description quantique de la lumière dans le<br />régime des variables continues, où les photons ne sont pas<br />distinguables individuellement. Dans la limite des petites<br />fluctuations quantiques, nous cherchons à augmenter la richesse,<br />et les possibles applications, des états quantiques produits en<br />multipliant le nombre de "modes" -ou degrés de libertés- mis en<br />jeu par le processus de détection. C'est ce que nous appelons<br />l'optique quantique multimode. Dans ce cadre, nous voyons comment,<br />en pratique, compter le nombre de modes pertinents au sein d'un<br />faisceau lumineux. Puis nous reprenons la théorie de la mesure<br />optique pour associer le caractère multimode de la lumière à la<br />recherche d'information dans un faisceau. Par cette approche, nous<br />redéfinissons les limites ultimes de la mesure et nous considérons<br />l'intrication quantique à partir de n'importe quelle grandeur<br />mesurable. Nous illustrons cette théorie par des expériences<br />mettant en jeu de plus en plus de modes : mesures de photons<br />jumeaux, intrication et téléportation quantique, mesure et<br />réduction du bruit de polarisation, nano-positionnement d'un<br />faisceau au delà de la limite quantique standard, intrication<br />spatiale, amplification sans bruit d'images et optique quantique<br />multimode avec des peignes de fréquence. Nous évoquons également<br />les possibles applications à l'accroissement des capacités de<br />stockage et de transfert d'information, au traitement en parallèle<br />de l'information quantique et à l'amélioration les techniques<br />d'imagerie et de métrologie.

Longtemps considérée comme une curiosité de laboratoire, la distribution quantique de clés s'est aujourd'hui imposée comme une solution viable de sécurisation des données. Les lois fondamentales de la physique quantique permettent en effet de garantir la sécurité inconditionnelle des clés secrètes distribuées. Nous avons proposé un système de distribution quantique de clés par photons uniques exploitant un véritable codage en fréquence de l'information. Cette nouvelle méthode de codage permet de s'affranchir de dispositifs interférométriques et offre donc une grande robustesse. Un démonstrateur basé sur des composants optiques intégrés standard a été réalisé et a permis de valider expérimentalement le principe de codage. Nous avons ensuite étudié un système mettant en ?uvre un protocole de cryptographie quantique par « variables continues », codant l'information sur l'amplitude et la phase d'états cohérents. Le dispositif proposé est basé sur un multiplexage fréquentiel du signal porteur d'information et d'un oscillateur local. Les débits atteints par les systèmes de distribution de clés ne sont pas uniquement limités par des contraintes technologiques, mais aussi par l'efficacité des protocoles de réconciliation utilisés. Nous avons proposé un algorithme de réconciliation de variables continues efficace, basé sur des codes LDPC et permettant d'envisager de réelles distributions de clés à haut débit avec les protocoles à variables continues.