La distribution de clé quantique (QKD - Quantum Key Distribution) est une technologie permettant d'assurer au niveau théorique l'inviolabilité des clés transmises. Cependant, certains problèmes d'ordre pratique de mise en œuvre restent ouverts, en particulier, concernant l'augmentation de la portée d'application de QKD. L'objectif de la thèse est de répondre aux deux questions colérées suivantes : (1) comment de construire des réseaux QKD de grande taille; (2) comment sécuriser les relais des clés QKD. Nous avons proposé, dans un premier temps, un modèle permettant de garantir la sécurité de la transmission de clés dans un réseau QKD de grande taille en utilisant un routage stochastique. L'efficacité de ce procédé est démontrée à l'aide de la théorie de la percolation. Dans un deuxième temps, nous avons exploré la sécurité des modèles de relais des clés QKD et arrivons à proposer quatres nouveaux modèles capables à étendre la portée de QKD.

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Le comportement collectif des atomes de Rydberg est au cœur de nombreux protocoles d'information quantique, notamment de répéteurs quantiques. Cette thèse traite de deux sujets distincts: la dynamique collective de nuages d'atomes de Rydberg et l'utilisation de répéteurs quantiques dans des réseaux complexes. Dans la première partie, nous étudions un système simple composé d'une chaîne 1D d'atomes de Rydberg couplée à un laser résonnant sur la transition vers un niveau de Rydberg dans le régime contenant quelques excitations. Les atomes de Rydberg sont soumis à une forte interaction dipolaire qui tend à empêcher l'excitation simultanée de deux atomes proches l'un de l'autre. C'est ce phénomène de blocage de Rydberg qui fait des atomes de Rydberg d'éminents candidats pour des protocoles d'information quantique. Ce blocage induit une distribution spatiale particulière des excitations le long de la chaîne d'atomes. Le calcul exact de cette distribution est souvent impossible en pratique même numériquement, et des approximations sont a priori nécessaires:- l'approximation des sphères de Rydberg dures: l'interaction dipolaire est modélisée par une sphère centrée autour de chaque excitation, à l'intérieur de laquelle toute autre excitation est impossible;- l'hypothèse de thermalisation: le système est supposé thermaliser, c'est-à-dire qu'après suffisamment de temps, même sans effets dissipatifs, le système tendra vers un état quasi-thermique qui peut être décrit par la physique statistique et plus précisément l'ensemble microcanonique. Cette thèse présente une étude de la thermalisation d'un ensemble 1D d'atomes de Rydberg et, plus particulièrement, de l'acuité des prédictions de l'ensemble microcanonique en supposant l'hypothèse des sphères dures. Nous avons simulé numériquement la dynamique d'un tel système composé de 100 atomes, dans le régime contenant au plus deux excitations dans l'ensemble. De plus, un modèle analytique à 6 dimensions est présenté. Comparant les trois approches, nous montrons que le modèle analytique corrobore la simulation numérique, tandis que simulation et modèle mis ensemble contredisent les prédictions microcanoniques. Dans ce régime, l'utilisation de cet ensemble est donc inadaptée. La seconde partie de cette thèse porte sur la distribution d'intrication dans un réseau de répéteurs quantiques. Ces derniers devraient permettre la communication quantique de deux parties distantes. Ces répéteurs quantiques sont presque toujours connectés en un réseau linéaire. Dans cette thèse, nous explorons les possibilités offertes par des réseaux arbitraires constitués de ces répéteurs connectant une multitude de clients. Nous avons représenté ces réseaux à l'aide de graphes non orientés. Nous avons étudié deux scénarios de routage:- le routage classique d'intrication qui corresponds au cas où des clients, très limités par leurs dispositifs quantiques, souhaitent partager des paires intriqués. Sur ces réseaux, les problèmes de communication sont équivalents à des problèmes de chemins disjoints. Lorsque les clients souhaitant communiquer ensemble (les terminaux) sont choisis par un adversaire, nous avons obtenu deux bornes: l'une proportionnelle au genre topologique, et l'autre au degré minimal du graphe. Nous proposons deux architectures de réseau saturant la plus contraignante, celle due au degré minimal. D'autre part, lorsque les clients sont répartis dans un espace à 2-3 dimensions, nous avons montré une limitation géométrique sur la fraction de clients pouvant communiquer simultanément.- le routage quantique utilisant le codage de réseau, qui correspond au cas où le réseau quantique est composé de petits processeurs quantiques capable d'effectuer des opérations locales. Nous avons étudié un problème de communication, le réseau papillon, où le routage classique de l'intrication entre deux paires de clients est impossible. Grâce au codage de réseau, nous avons résolu ce problème de communication. / The collective behavior of Rydberg gases is at the heart of many proposals for quantum information. This thesis treats two distinct topics: the collective dynamic of a Rydberg ensemble and the use of quantum repeaters across quantum networks.In the first part of this thesis, we choose to focus on a simple system involving Rydberg atoms: a 1-dimensional Rydberg gas coupled to a laser resonant with the Rydberg transition. Rydberg atoms interact together through the dipole-dipole interaction. This particular feature is used for quantum information purposes, like applying multi-qubits gates for example. This interaction is strong enough so that the dynamic of such system in the regime of few excitations in the gas ensemble is already intractable without any assumptions. One of them is the hardcore Rydberg sphere assumption: we approximate this interaction by a sphere around each excitation inhibiting any second excitation within it. Another one is to suppose that the system thermalizes in such regime; a statistical treatment could then be applied. We have investigated the thermalization of a 1D-Rydberg gas and evaluated the accuracy of the microcanonical ensemble predictions under the first assumption. To do so, we have numerically simulated the dynamic of such system constituted by 100 atoms, in the regime of at most two excitations in the chain, in the initial excitation-less state. Furthermore, we constructed a 6-dimensional analytical model. Comparing the three approaches together, we have concluded that the numerical simulation and the analytical model both agree together but contradicts the microcanonical treatment. In this regime, the microcanonical ensemble is unadapted.In the second part of this thesis, we have studied the distribution of entanglement across a generic quantum network. We have mapped these quantum networks to undirected graphs and studied two different routing scenarios:- the classical routing of quantum entanglement corresponding to the scenario where clients of the network can perform only a single Bell measurement or keep a single qubit. This is the usual model of quantum repeaters. On these networks, peer-to-peer communication problems are equivalent to the vertex disjoint path problem. When the peers are chosen by an adversary, we have found two limitations due to the topological genus and the minimum degree of the graph. We have found two network architectures (almost) saturating the most constraining one, the minimum degree inequality. For the case where the peers are chosen at random, we have studied a specific graph lying in a 2- or 3-dimensional manifold and investigated the trade-off between the quantum links and the number of peers that can communicate simultaneously through the network.- true quantum routing problem (using network coding) corresponding to the situation where the quantum network is composed by small quantum processors that could apply local gates. We focus on a particular communication problem, namely the butterfly network, where classical routing is impossible. Using network coding, this communication is solved.

Ce manuscrit expose le développement de ressources fondamentales pour les communications quantiques à longues distances basées sur les technologies des fibres optiques télécoms et des guides d'onde optiques non linéaires. Après une introduction générale sur les communications quantiques, cette thèse est structurée en trois parties principales. La première partie illustre le développement de deux sources pour la génération de paires de photons intriqués en polarisation et émis à une longueur d'onde télécom via conversion paramétrique spontanée (SPDC) dans des guides d'ondes non linéaires intégrés sur niobate de lithium périodiquement polarisé. Les sources s'appuient respectivement sur un accord de phase de type-II et un accord de phase de type-0 et sur des solutions de filtrage et d'interférométrie mises en place après le cristal non linéaire. Dans la seconde partie, sont discutées les réalisations de deux sources de photons uniques annoncés haut débit. La première s'appuie sur le multiplexage spatial sur puce de photons uniques annoncés. La seconde exploite le multiplexage temporel passif grâce à l'utilisation d'un laser télécom cadencé à 10 GHz. Enfin, nous présentons une approche tout-optique visant la synchronisation de sources distantes de paires de photons intriqués, agencées selon une architecture de type relais quantique distribué. Cette technique innovante repose sur l'utilisation d'un laser télécom impulsionnel en tant qu'horloge optique de référence. Cette horloge autorise la synchronisation de l'émission de paires de photons dans la bande C des télécoms en deux lieux distants. Des résultats préliminaires d'interférence à deux photons sont montrés et discutés. / This manuscript reports the development of fundamental resources for long distance quantum communication based on fibre telecom technology and non-linear optical waveguides. After a general introduction on quantum communication, the thesis is structured along three parts. The first part illustrates the development of two photonic polarization entanglement sources suitable for quantum networking. Both sources generate paired photons at telecom wavelength via spontaneous parametric down conversion (SPDC) in periodically poled lithium niobate waveguides (PPLN/W). They rely on type-II and type 0 phase matching, respectively. In the second part, two high quality heralded single photon sources are highlighted. The first one relies on on-chip generation and spatial multiplexing of heralded single photons towards achieving higher bit rates. The second one takes advantage of passive temporal multiplexing of a single SPDC process. Finally, an all-optical approach towards efficient and accurate synchronization of remote entangled photon pair sources within quantum relay architecture over long distances is presented. This particular synchronization technique highlights the use of ultra-fast picosecond pulsed telecom fiber laser, operating at 2.5 GHz repetition rate, acting as a master optical clock, enabling to accurately synchronize the emission of photon pairs in the telecom C-band of wavelengths at two remote locations. This innovative approach is applied for synchronizing two remote PLLN/W based sources operated at 2.5 GHz, and preliminary results on two-photon interference obtained with single photons coming from each source are shown and discussed.