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

La thèse est consacrée au développement de la théorie quantique de l’intrication et de la statistique non classique des champs optiques multimodaux dans les interactions paramétriques. Nous étudions également des applications de ce type de champs dans les schémas de l’information quantique. Nous considérons deux types d’interactions paramétriques, appelées concurrents et consécutifs, entre cinq modes du champ électromagnétique avec des fréquences différentes. Le premier type d’interaction est le processus de conversion de fréquence connu comme « parametric down-conversion » accompagné par « parametric up-conversion » : [Oméga]p=[Oméga]1+[Oméga]2, 2[Oméga]p=[Oméga]2+[Oméga]3, [Oméga]p+[Oméga]1=[Oméga]3. Nous démontrons que ces deux processus concurrent produisent une intrication de trois modes du champ électromagnétique avec les trois fréquences différentes. Nous trouvons les conditions optimales pour la création de ce type d’intrication. Le deuxième processus considéré dans la thèse est celle du « parametric down-conversion » accompagné par deux « parametric up-conversion » : [Oméga]p=[Oméga]1+[Oméga]2, [Oméga]p+[Oméga]1=[Oméga]3, [Oméga]p+[Oméga]2=[Oméga]4. Nous avons trouvé l’intrication entres les deux modes de basses fréquences [Oméga]1 et [Oméga]2 et les deux modes de hautes fréquences [Oméga]3 et [Oméga]4 . En appliquant le critère basé sur les valeurs symplectiques nous avons quantifié ce type d’intrication. Nous avons étudié des propriétés de champs avec plusieurs modes spatiaux dans les deux configurations de l’imagerie quantiques : le champ proche et le champ lointain. Dans les deux cas nous avons calculé le rapport signal à bruits et étudié son comportement en fonction des paramètres physiques. Nous avons également proposé et étudié un schéma pour téléportation des images optiques classiques et non classiques (intriquées). Nous avons évalué la fidélité de téléportation en fonction des paramètres de notre système tels que la taille de pixel dans la caméra de détection et la longueur de cohérence de l’émission paramétrique. / The main goal of the thesis is to elaborate the quantum properties, such as entanglement and quantum statistics, of multi-frequency fields, both spatial single-mode and multimode, generated in coupled parametric wave interactions and consider some applications of these fields in quantum information schemes. In the thesis two coupled (also named as concurrent or consecutive) parametric interactions involving modes of five frequencies are considered. The first interactions are two parametric down-conversion processes accompanied by the up-conversion process: [Oméga]p=[Oméga]1+[Oméga]2, 2[Oméga]p=[Oméga]2+[Oméga]3, [Oméga]p+[Oméga]1=[Oméga]3. It has been shown that the resulting three-frequency optical field is in a three mode entangled state. We formulate the optimal conditions for creation of such type of entanglement. The other coupled interactions comprise one parametric down-conversion process with two up-conversion ones: [Oméga]p=[Oméga]1+[Oméga]2, [Oméga]p+[Oméga]1=[Oméga]3, [Oméga]p+[Oméga]2=[Oméga]4. The entanglement analysis, carried out for these interactions, suggests that the modes with frequencies [Oméga]1 and [Oméga]2 low-frequency modes) along with modes with frequencies [Oméga]3 and [Oméga]4 (high-frequency modes) exhibit two-mode entanglement. Moreover, the symplectic eigenvalue criterion has shown the presence of block entanglement between low-frequency and high-frequency modes. The properties of the spatially multimode fields, generated in the second type of interaction, were investigated for two configurations of quantum imaging schemes: the near-field and the far-field. For both configurations the signal-to-noise ratio and entanglement properties of the generated images have been studied in detail. The schemes for teleportation of entangled spatial single-mode states and entangled images using auxiliary quantum states obtained in the second interactions are proposed and thoroughly analyzed. The teleportation quality in dependence on the amount of entanglement in auxiliary fields and the states to be teleported has been studied. For the images teleportation scheme the influence of the detectors pixel size on the quality of teleportation has been analyzed.

Ce travail de thèse porte sur l'étude des performances des lasers à base de bâtonnets quantiques en régime de verrouillage de modes passif dans différentes configurations: laser à deux sections (une section de gaine et une section à absorbant saturable) et laser autopulsant constitué d'une seule section de gain. Nous nous intéresserons tout particulièrement au bruit de phase et à la gigue temporelle des impulsions, caractéristiques limitantes pour les applications faible gigue telles que la récupération d'horloge tout-optique ou la génération de porteuses optiques micro-ondes et millimétriques. Une technique de stabilisation optique permettant de réduire cette gigue temporelle est mise en oeuvre dans ces travaux. Nous présentons également la génération d'impulsions sub-picosecondes à des fréquences de répétition supérieures à 300 GHz à l'aide de lasers autopulsants. / This PhD thesis deals with the study of passive quantum-dash-based mode locked laser in different configurations: 2-section device (one gain section and one saturable absorber section) and self pulsating laser using a single section device.We have assessed in particular phase noise and timing jitter in optical pulses. The latter is very important for low jitter applications as ail optical clock recovery and millimeter wave generation. Stabilization technique based on optical feedback has been applied to reduce the timing jitter. Moreover, we present passive mode locked operation of a self-pulsating quantum dash Fabry-Perot laser diode at arepetition rate over 300 GHz.

Dans cette thèse nous présenterons une construction pour l'amplitude quantique associée à un 4-simplex Lorentzian, en modifiant une construction antérieure par Barrett et Crane. Nous utiliserons cette amplitude ensuite pour construire une intégrale de chemin représentant une somme sur des géométries simpliciales pour une triangulation fixe de l'espace-temps. Comme résultat, nous obtenons une description de l'espace quantique au bord de la triangulation donnée par des réseaux de spin, en établissant ainsi une connexion entre l'approche des mousses de spin et la Gravité Quantique à Boucles. Finalement, nous analyserons la limite semiclassique de l'amplitude pour un 4-simplex et obtenons comme résultat que la contribution dominante est donnée par l'exponentielle de l'action Regge pour des données au bord décrivant bien une géométrie Lorentzienne. / In this thesis we present a construction of the quantum amplitude associated to a Lorentzian 4-simplex, modifying a previous construction by Barrett and Crane. This 4-simplex amplitude is further used to construct a path integral defining a sum over simplicial geometries for a fixed triangulation of space-time. As a result we obtain a boundary state space given by spin-networks, establishing a connection between spin foams and Loop Quantum Gravity. Finally, we perform the semiclassical analysis for a single order is given by the exponential af the Regge action.

Nous nous intéressons à la dynamique dans les systèmes de Hall en présence d'un flux Aharonov-Bohm dépendant du temps. Nous présenterons deux théorèmes adiabatiques applicable à ces modèles ainsi qu'un résultat sur l'existence d'une constante de mouvement non-trivial. On utilisera un algorithme de diagonalisation partielle. / We will ahve interest in the quantum dynamics in Hall systems with time dependent Aharonov-Bohm flux. We will present two adiabatic theorems which can applied to these models and a quantitive result on the existence of a non-trivial constant of motion. To prove this result, we will use a partial diagonalization algorithm

Les phénomènes électrochimiques sont de plus en plus présents dans notre vie quotidienne : ils sont au cœur des batteries de nos ordinateurs, de nos téléphones, dans les piles (à combustibles), etc ... L'objectif de cette thèse est de mieux comprendre les interfaces métal-solvant qui interviennent aux niveaux de ces systèmes (pile à combustible, batteries Li-ion …). Cependant si ceux-ci sont fortement étudiés expérimentalement à la fois dans les laboratoires universitaires et industriels, leur compréhension à l'échelle atomique reste encore imparfaite. Le but de cette thèse est donc d'améliorer la compréhension de l'interface entre l'électrolyte et l'électrode ainsi que sa modification avec le potentiel appliqué à l‘aide de calculs ab initio basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). Pour cela au moyen de méthodes de simulation électrochimiques utilisant des approches théoriques spécifiques des surfaces et interfaces développées au sein du laboratoire, nous nous sommes d'abord intéressés à une interface Ruthénium-eau. Le ruthénium est un métal qui crée des interactions fortes avec l'eau : l'eau se trouve alors non dissociée ou partiellement dissociée sur cette surface selon les conditions d'étude. Ainsi, en partant des contradictions apparentes entre résultats expérimentaux présents dans la littérature, nous avons étudiés plus d'une dizaine de phase d'eau sur le ruthénium, dont nous avons extrait le diagramme de phase en fonction du potentiel, de la température, et en tenant compte du fort effet isotopique présent dans ces systèmes. La comparaison de nos résultats calculés avec les résultats expérimentaux nous a permis de rationaliser les observations et d'apporter des réponses sur la cause de l'effet isotopique géant associé à la dissociation de l'eau sur le ruthénium.Dans un second temps nous nous sommes intéressés à une interface lithium-solvant (éthylène carbonate) présente dans les batteries Li-métal. Contrairement à l'étude de l'interface métal-eau précédente nous nous sommes intéressés à la modélisation de la surface et de l'électrolyte liquide. La modélisation du solvant liquide étant plus complexe que celle d'une monocouche d'eau solide adsorbée sur la surface, nous avons donc utilisé une méthode de solvatation implicite que nous avons dû adapter à nos calculs électrochimiques. Nous avons aussi modélisé des molécules de solvant de façon explicite pour pallier aux limites du modèle implicite et inclure les effets de première sphère de solvatation. Notre modèle de solvatation mixte implicite/explicite nous a permis d'étudier les processus électrochimique de réorganisation de surface, de réduction de Li+ ainsi que l'hystérésis/nucléation de surface de Li. / The electrochemical phenomena are increasingly present in our daily lives: they are at the heart of the batteries of our computers, our phones, in batteries (fuels), etc ... The objective of this thesis is to better understand metal-solvent interfaces involved levels of these systems (fuel cell, Li-ion batteries ...). However if they are heavily studied experimentally both in academic and industrial laboratories, understanding at the atomic scale is still imperfect. The aim of this thesis is to improve understanding of the interface between the electrolyte and the electrode and its modification with the potential applied using ab initio calculations based on the Density Functional Theory (DFT).For this simulation using electrochemical methods using specific theoretical approaches of developed surfaces and interfaces in the laboratory, we primarily interested in a ruthenium-water interface. Ruthenium is a metal that creates strong interactions with water: water is then undissociated or partially dissociated on this surface under the conditions of study. Thus, starting from the apparent contradictions between experimental results present in the literature, we have studied more than a dozen water phase on ruthenium, we extract the phase diagram based on potential, temperature, and taking into account the strong isotope effect present in these systems. Comparison of our calculated results with the experimental results allowed us to rationalize the observations and provide answers on the cause of the giant isotope effect associated with the dissociation of water on ruthenium.In a second step we are interested in a lithium-solvent interface (ethylene carbonate) present in the Li-metal batteries. Unlike the previous study of metal-water interface we are interested in modeling the surface and the liquid electrolyte. The modeling of the liquid solvent is more complex than a single layer of solid water adsorbed on the surface, so we used a method of implicit solvation that we had to adapt our electrochemical calculations. We also modeled explicitly solvent molecules to overcome the limitations of the implicit model and include the effects of the first solvation sphere. Our model of mixed implicit solvation / explicitly allowed us to study the electrochemical surface reorganization process, Li + reduction as well as hysteresis / Li surface nucleation.

La biréfringence magnétique linéaire correspond à une différence d'indice induite dans un milieu par un champ magnétique transverse. Dans les gaz, cet effet est aussi connu sous le nom d'effet Cotton-Mouton. En 1935, la théorie de l'électrodynamique quantique prévoit une telle biréfringence magnétique linéaire dans un milieu particulier, le vide. La biréfringence attendue est de l'ordre de 10-24 pour un champ magnétique appliqué de 1 T. Malgré plusieurs tentatives, l'observation de cette prédiction de l'électrodynamique quantique n'a encore jamais été réalisée et reste un défi expérimental. Les travaux réalisés durant cette thèse sont dédiés à l'observation et à la mesure de l'effet Cotton-Mouton dont le but ultime est la mesure de l'effet Cotton-Mouton du vide. Les mesures de biréfringence magnétique sont difficiles car il s'agit de détecter de très petites variations de la polarisation de la lumière combinant optique de précision et champ magnétique. L'expérience est réalisée au Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses de Toulouse afin d'associer l'utilisation de champs magnétiques intenses en régime pulsé et d'une cavité optique de type Fabry-Perot de très haute finesse sur laquelle est asservi un laser Nd :YAG. Ce manuscrit présente les résultats des mesures de biréfringences magnétiques dans le xénon gazeux et une limite dans le vide obtenus avec la première version de l'expérience au commencement de cette thèse. La nouvelle version de l'expérience BMV.II est au cœur de cette thèse, de sa construction aux résultats expérimentaux. Les principaux éléments y sont décrits, à savoir les enceintes à vide, la bobine produisant un champ magnétique plus intense, le système d'asservissement. Les améliorations vis à vis de la première version de l'expérience concernant la sensibilité de l'expérience, y seront également présentées. / Linear magnetic birefringence corresponds to an anisotropy of the index of refraction induced in a medium by an applied external magnetic field. In gas, this effect is often referred to as the Cotton-Mouton effect. The development of the quantum electrodynamic (QED) theoretical framework led to the prediction of vacuum magnetic-birefringence (VMB) (or Cotton-Mouton effect in vacuum (CMV)), with an expected magnitude of 10-24 per Tesla of magnetic field. While several experiments seek to measure this fundamental QED prediction, the direct measurement of VMB remains elusive. This thesis work focuses the enhancement of Birefringence Magnetique du Vide (BMV), an apparatus designed for the measurement of VMB. The main challenge in the measurement of VMB lies in the extremely small magnitude of the effect, resulting in the marriage of techniques in high magnetic fields and precision interferometry. BMV is housed in the Laboratoire National des Champs Magnétique Intense (LNCMI) in Toulouse, making use of the facility's high pulsed magnetic fields. The experiment uses a Fabry-Perot optical resonator to store the probing laser field, enhancing the measurable effect. Presented in this thesis are the results of magnetic birefringence measurements in xenon gas as well as limits of the vacuum effect obtained in the first iteration of the experiment, BMV I. Additionally, we focus on the development of the second generation experiment, BMV II, from setup through early experimental results showing great improvements in sensitivity since the first version of the experiment. The key parameters of this experimental setup demonstrated here are the vacuum system, the pulsed magnetic field coils, and the optical setup.

Cette thèse constitue une contribution à la modélisation à l’échelle moléculaire de la réactivité des aérosols atmosphériques. L’objectif est de mettre au point une méthodologie hybride classique/quantique permettant de traiter la réactivité hétérogène à la surface des aérosols atmosphériques attaqués par diverses espèces réactives de nature radicalaire (Cl, OH ou peroxyles RO2) ou saturée (dioxygène, ozone). Tout d’abord, l’approche quantique de la réactivité entre le chlore et les molécules d’acide carboxyliques (acide valérique) ou acides gras (acide palmitique) a été validée en phase gaz. Les résultats ont permis, d’une part, de mettre en évidence la spontanéité de l’abstraction des atomes d’hydrogène de l’acide par le chlore et d’autre part l’augmentation de la constante de vitesse de réaction lorsque la chaîne de la molécule d’acide s’allonge. Dans la deuxième partie dédiée à la simulation d’un aérosol modèle, nous avons, à partir de la dynamique moléculaire classique, construit un agrégat d’acide palmitique et analysé ses propriétés structurales et énergétiques. Ensuite, en ajoutant des molécules d’eau, on constate que celles-ci forment des îlots à la surface de l’agrégat. Enfin, nous avons étudié la réactivité hétérogène à la surface de l’aérosol en découpant le système en deux régions traitées de manière différenciée (approche dite "QM/MM", " Quantum Mechanics/Molecular Mechanics"). Nous avons identifié un échantillon d’atomes hydrogène à la surface de l’agrégat pouvant être capté par le Chlore et calculé pour chacun d’eux la constante de réaction. Nous avons finalement pu déterminer pour la première fois une valeur théorique du coefficient de capture (" uptake") réactif, qui peut être comparée aux résultats expérimentaux. / This thesis contributes to the molecular level understanding of atmospheric aerosol chemistry. The objective is to set up an hybrid classical/quantum methodology to treat the heterogeneous chemical mechanisms occurring at the surface of model aerosols attacked by various reactive species, either radicals (Cl, OH or RO2 peroxyl) or saturated (oxygen, ozone). Firstly, the quantum approach used to treat the reactivity between chlorine and a carboxylic acid molecule (valeric acid) or fatty acid (palmitic acid) has been validated in the gas phase. These calculations made it possible, on the one hand, to highlight the spontaneity of the abstraction of the hydrogen atoms of the acid by the chlorine radical and, on the other hand, the increase of the reaction rate constant as the chain of the acid molecule gets longer. In the second part dedicated to the simulation of a model submicrometer aerosol, we have built an aggregate of palmitic acid using classical molecular dynamics and analysed its structural and energetic properties. Then, addition of water molecules leads to the formation of water islands at the surface of the aggregate. Finally, we studied the heterogeneous reactivity at the surface of the aerosol by dividing the system into two regions treated differently (QM/MM approach, Quantum Mechanics/Molecular Mechanics). We have identified a sample of hydrogen atoms at the surface of the aggregate that can be captured by chlorine and calculated for each of them the reaction rate constant within the QM/MM scheme. We have finally been able to determine for the first time a theoretical value of the reactive uptake coefficient, which can be in principle compared to experimental data.

Cette thèse est consacrée à la réalisation expérimentale d'une mémoire quantique par transparence induite électromagnétiquement (EIT) dans une vapeur de césium ainsi que d'une source de vide comprimé à 852 nm.<br />Une interface lumière-matière reposant sur le phénomène d'EIT a été démontrée et ses performances ont été étudiées par stockage et restitution d'états cohérents. La cohérence du processus de mémoire et l'absence de bruit ajouté ont été mises en évidence, ainsi que les performances en termes de fidélité et à l'aide du diagramme T-V.<br />Une étude à la fois expérimentale et théorique du phénomène d'EIT sur la raie D2 d'une vapeur de césium a permis de préciser l'effet conjugué de la structure hyperfine et de l'élargissement Doppler sur les transparences obtenues.<br />Afin d'étudier la mémoire avec un état non classique du champ, une source de vide comprimé à 852 nm a été développée et les caractéristiques de l'état de sortie ont été analysées par tomographie quantique. La source utilisée est un oscillateur paramétrique optique fonctionnant sous le seuil.

Nous avons realise une mesure Quantiques Non Destructives du nombre de photons d'un champ piege dans une cavite de temps d'amortissement T=0,13s. Nous envoyons des atomes de Rydberg circulaires a travers la cavite ou une interaction dispersive deplace leur frequence propre proportionnellement au nombre de photons. Ce deplacement lumineux est detecte par interferometrie atomique de Ramsey. Le temps d'amortissement du champ est suffisamment long pour permettre d'observer les sauts quantiques du nombre de photons dus a la relaxation. L'analyse statistique des differentes trajectoires permet de realiser une tomographie partielle de ce processus responsable de la decoherence des etats de Fock |n> en un temps T/n. La projection d'un champ initialement coherent sur un etat de Fock lors de la mesure s'accompagne d'une dispersion totale de sa phase. Cette action en retour est utilisee pour geler la croissance coherente du champ par effet Zenon quantique.