The no-cloning theorem is one of the fundamental concepts of quantum information theory. It tells us that no general quantum state can be perfectly replicated. In this thesis we introduce the notion of imperfect cloning, and define the properties of the universal cloning machine. Furthermore, we construct an ansatz of how our universal cloning machine should perform as to produce two imperfect clones from one input qubit. We find an optimal fidelity of 5/6 for our universal cloning machine. We then reevaluate our ansatz and construct a class of unitary transformations such that an optimal fidelity is always achieved. Lastly, we present an overview of some applications of imperfect quantum cloning in the field of quantum information.

Cette thèse porte sur les effets d'optique quantique avec des atomes artificiels semiconducteurs. Dans un premiers temps, on fait une étude théorique où un émetteur unique est couplé à un guide d'onde unidimensionnel. Ce système permets la propagation libre de la lumière en préservent la sensitivité au niveau d'un photon unique, ce que a motivé des propositions pour faire des portes logiques et des transistors au photon unique. Un schéma pour observer l'émission stimulée au niveau d'un photon unique dans cet environnement unidimensionnel est proposé, en utilisant un émetteur excité (e.g. une boîte quantique) et une pompage classique (laser). On montre que l'émission se produit dans le mode stimulée et que la population atomique fait des oscillations de Rabi classiques. Ensuite, la dynamique complètement quantique est décrite, où un paquet avec un seul photon interagit avec l'atome initialement excité. Dans cette nouvelle condition, la stimulation est irréversible, i.e., les populations atomiques ne réalisent pas des oscillations. Cet effet est optimal dans le cas où le paquet est trois fois plus court qu'un paquet spontanément émis par le même atome. On démontre comment utiliser l'émission stimulée irréversible optimale pour produire des clones quantiques universels. Le même dispositif peut être utilisé aussi bien pour produire des paires des photons complètement intriqués, si le paquet du photon initial est suffisamment étendu. Dans un deuxième moment, nous nous sommes intéressés aussi au spectre d'émission spontanée d'une boîte quantique semiconductrice en couplage faible avec une microcavité. Ce système mets en évidence l'effet d'alimentation de la cavité, où la boîte émet spontanément à la fréquence de la cavité, même si cela est bien désaccordé. L'influence des phonons pour le mécanisme d'alimentation de la cavité est analysée. Une importante distorsion du spectre apparent de la cavité, induit pour la présence des phonons, est démontrée. Les effets étudiés sont topiques et peuvent être implémenté avec des dispositifs semiconducteurs de l'état de l'art. / The thesis focuses on quantum optical effects in semiconducting artificial atoms. We first investigate theoretically a single emitter coupled to a one-dimensional waveguide. This system allows for light propagation while preserving sensitivity at the single-photon level, which has motivated proposals for quantum gates and single-photon transistors. A scheme to monitor stimulated emission at the single-photon level in this one-dimensional open space is proposed, using an excited emitter (e.g. a quantum dot) and a classical pump (laser). We show that light is emitted in the stimulating mode and that the atom performs classical Rabi oscillation. The fully quantum dynamics is also explored, where a single-photon packet interacts with an initially excited emitter. In contrast with the case of a classical pump, stimulation by a single photon is irreversible, i.e., no oscillation takes place. Stimulation is optimal for a packet three times shorter than the spontaneously emitted one. We show how this optimal irreversible stimulated emission can be applied to perform universal quantum cloning. The same device provides either optimal quantum cloning or maximally entangled photon pairs, depending only on the size of the incoming packet. In the second part of the thesis, we investigate the spontaneous emission spectrum of a semiconducting quantum dot weakly coupled to a microcavity. In particular, we address the problem of cavity feeding, where the quantum dot spontaneously emits photons at the frequency of an off-resonance cavity. The influence of phonons in the cavity feeding mechanism is analysed. An important distortion of the apparent cavity peak induced by the presence of phonons is demonstrated. These effects are topical and can be implemented in state-of-the-art semiconducting devices.

The idea to assimilate classical information theory with quantum mechanics resulted in the creation of a new field in physics known as quantum information. One of the first papers in this new field occurred in the early 1970's when Stephen Wiesner wrote the seminal manuscript titled: "Conjugate Coding". However, its importance wasn't imme- diately recognized and wasn't published until 1983. The 1980's and 1990's saw a number of important papers published in quantum information leading to the subfields of quantum cryptography, quantum teleportation, quantum entanglement, distinguishability of quantum states, and quantum cloning. It was also during the 1980's, that a new model of computing, known as quantum computation, was beginning to emerge. It offered the possibility of solving certain problems faster than a classical computer by exploiting various properties of quantum mechanics. Research in this field was undoubtedly stimulated by a well known talk given by Richard Feynman in 1981 at MIT on quantum simulations. Both quantum information and quantum computation were initially developed with quantum discrete variables in mind. However, over the course of the last decade, there has been a significant increase in using quantum continuous variables. This thesis will focus on the topic of quantum information and quantum computation using continuous variables. Specifically, we will theoretically consider the cloning of continuous-variable entanglement, the distinguishability of Gaussian states, new continuous-variable quantum cryptography protocols and finally, the universality of quantum computation using continuous-variable cluster states.

The idea to assimilate classical information theory with quantum mechanics resulted in the creation of a new field in physics known as quantum information. One of the first papers in this new field occurred in the early 1970's when Stephen Wiesner wrote the seminal manuscript titled: "Conjugate Coding". However, its importance wasn't imme- diately recognized and wasn't published until 1983. The 1980's and 1990's saw a number of important papers published in quantum information leading to the subfields of quantum cryptography, quantum teleportation, quantum entanglement, distinguishability of quantum states, and quantum cloning. It was also during the 1980's, that a new model of computing, known as quantum computation, was beginning to emerge. It offered the possibility of solving certain problems faster than a classical computer by exploiting various properties of quantum mechanics. Research in this field was undoubtedly stimulated by a well known talk given by Richard Feynman in 1981 at MIT on quantum simulations. Both quantum information and quantum computation were initially developed with quantum discrete variables in mind. However, over the course of the last decade, there has been a significant increase in using quantum continuous variables. This thesis will focus on the topic of quantum information and quantum computation using continuous variables. Specifically, we will theoretically consider the cloning of continuous-variable entanglement, the distinguishability of Gaussian states, new continuous-variable quantum cryptography protocols and finally, the universality of quantum computation using continuous-variable cluster states.

Cette thèse porte sur les effets d'optique quantique avec des atomes artificiels semiconducteurs. Dans un premiers temps, on fait une étude théorique où un émetteur unique est couplé à un guide d'onde unidimensionnel. Ce système permets la propagation libre de la lumière en préservent la sensitivité au niveau d'un photon unique, ce que a motivé des propositions pour faire des portes logiques et des transistors au photon unique. Un schéma pour observer l'émission stimulée au niveau d'un photon unique dans cet environnement unidimensionnel est proposé, en utilisant un émetteur excité (e.g. une boîte quantique) et une pompage classique (laser). On montre que l'émission se produit dans le mode stimulée et que la population atomique fait des oscillations de Rabi classiques. Ensuite, la dynamique complètement quantique est décrite, où un paquet avec un seul photon interagit avec l'atome initialement excité. Dans cette nouvelle condition, la stimulation est irréversible, i.e., les populations atomiques ne réalisent pas des oscillations. Cet effet est optimal dans le cas où le paquet est trois fois plus court qu'un paquet spontanément émis par le même atome. On démontre comment utiliser l'émission stimulée irréversible optimale pour produire des clones quantiques universels. Le même dispositif peut être utilisé aussi bien pour produire des paires des photons complètement intriqués, si le paquet du photon initial est suffisamment étendu. Dans un deuxième moment, nous nous sommes intéressés aussi au spectre d'émission spontanée d'une boîte quantique semiconductrice en couplage faible avec une microcavité. Ce système mets en évidence l'effet d'alimentation de la cavité, où la boîte émet spontanément à la fréquence de la cavité, même si cela est bien désaccordé. L'influence des phonons pour le mécanisme d'alimentation de la cavité est analysée. Une importante distorsion du spectre apparent de la cavité, induit pour la présence des phonons, est démontrée. Les effets étudiés sont topiques et peuvent être implémenté avec des dispositifs semiconducteurs de l'état de l'art.