La physique quantique fut introduite au début du 20e siècle. Elle<p>apporte une nouvelle description du monde qui nous entoure et en<p>particulier de ce qu'on appelle le monde de l'infiniment<p>petit. Cette nouvelle théorie permet une description adéquate<p>notamment de l'effet photoélectrique, des niveaux énergétiques des<p>atomes, des réactions nucléaires, Elle apporte également une<p>réponse à de nombreuses problématiques telles que la catastrophe<p>ultraviolette. Néanmoins aussi séduisante que soit cette théorie,<p>les prédictions pour le moins contre-intuitives qu'elle apporte,<p>amène rapidement la controverse. Par exemple, en 1935, A.<p>Einstein, B. Podolski et N. Rosen en arrivent à mettre en doute la<p>physique quantique à cause d'une particularité que l'on y<p>rencontre, à savoir l'enchevêtrement. Il s'en<p>suit le célèbre débat avec N. Bohr et l'école de Copenhagen. Parmi<p>les autres aspects propres au monde quantique on peut encore citer<p>la superposition des états, le postulat de la mesure, le principe<p>d'incertitude d'Heisenberg, la dualité onde-corpuscule, le<p>théorème de non clonage, Toutes ces spécificités font de la<p>physique quantique un monde passionnant dans lequel, à l'instar du<p>pays des merveilles d'Alice, l'intuition est souvent dépassée.<p><p>Cette thèse est le fruit de quatre années de travail au cours<p>desquelles nous avons tenté d'observer et d'étudier certains des<p>effets intrigants que nous propose la physique quantique. Plus<p>précisément nous avons utilisé des états particuliers de la<p>lumière afin d'explorer une partie de ce qu'on appelle<p>l'optique quantique.<p><p>Dans un premier temps nous nous sommes intéressés aux possibilités<p>offertes par l'utilisation d'états cohérents de la lumière. En<p>utilisant ces états particuliers nous nous sommes penchés sur<p>l'étude ainsi que sur la réalisation expérimentale d'une tâche qui<p>se révèle impossible classiquement sans hypothèse computationelle.<p>Cette tâche consiste à réaliser un pile ou face entre deux joueurs<p>éloignés l'un de l'autre, par exemple deux joueurs communiquant<p>par téléphone. En effet, classiquement, un des deux joueurs pourra<p>toujours tricher de manière à avoir 100% de chance de gagner le<p>pile ou face.<p><p>Au contraire, si on utilise les ressources offertes par la<p>communication quantique, il est possible de construire des<p>protocoles ne permettant plus à aucun des deux joueurs de tricher<p>parfaitement et ce, sans aucune hypothèse supplémentaire. Même si<p>aucun protocole quantique ne peut empêcher totalement toute<p>tricherie, leur démonstration constitue une preuve de principe<p>quant aux possibilités offertes par la physique quantique dans la<p>réalisation de tâches classiquement impossibles.<p><p>Lors de notre étude du problème, nous avons développé un protocole<p>de pile ou face quantique et étudié ses performances. Nous avons<p>montré que les tentatives de tricherie des deux joueurs avaient<p>une probabilité de succès limitée à 99,7%<100% (biais inférieur<p>à 0,497). L'originalité de cette étude se situe dans le fait que<p>les imperfections expérimentales (efficacité des détecteurs,<p>pertes de transmission, visibilité réduite, ) furent prises en<p>compte, ce qui à notre connaissance n'avait jamais été réalisé. En<p>outre nous avons réalisé une implémentation en optique fibrée de<p>notre protocole et démontré la réalisation d'un pile ou face<p>unique au cours duquel aucun des deux joueurs ne pouvait<p>influencer parfaitement le résultat, ce qui à notre connaissance<p>n'avait également jamais été démontré. L'emploi d'états cohérents<p>de la lumière fortement atténués nous a donc permis de concevoir<p>un protocole de pile ou face quantique et de réaliser une<p>démonstration expérimentale en optique fibrée, d'une tâche<p>impossible à réaliser classiquement.<p><p><p>Après avoir travaillé avec des états cohérents fortement atténués,<p>nous nous sommes intéressés à un autre état quantique de la<p>lumière, à savoir les paires de photons. Ces états constituent non<p>seulement une ressource essentielle pour sonder les effets<p>quantiques de la lumière mais également une ressource<p>incontournable pour l'information et la communication quantique.<p>Nous nous sommes donc attelés à la réalisation d'une source<p>produisant ces paires de photons.<p><p> Les premières sources de paires<p>de photons furent basées sur l'utilisation de cristaux dans<p>lesquels il existe une interaction non linéaire entre la lumière<p>et le matériau du cristal. Malheureusement le désavantage majeur<p>de ces sources est la difficulté à collecter les paires de photons<p>générées. Nous avons donc étudié la possibilité de générer des<p>paires de photons directement dans une fibre optique, la<p>collection des paires y étant réalisée de facto.<p><p>La première solution que nous avons envisagée consiste à utiliser<p>la non-linéarité du troisième ordre de la silice composant les<p>fibres optiques. Plus précisément le phénomène utilisé est appelé<p>l'instabilité de modulation. Ce phénomène permet de détruire deux<p>photons de pompe afin de générer une paire de photons vérifiant<p>les conservations de l'énergie et de l'impulsion. En outre nous<p>avons choisi d'utiliser une fibre optique microstructurée. Ces<p>fibres permettent en effet un plus grand confinement de la lumière<p>que les fibres standards. Il en résulte une interaction non<p>linéaire plus importante, permettant ainsi de générer des paires<p>de photons de manière plus efficace. La fibre utilisée est en<p>outre biréfringente, ce qui permet d'avoir accès à deux types<p>particuliers d'instabilité de modulation: l'instabilité scalaire<p>et l'instabilité vectorielle.<p><p>Dans un premier temps, nous avons observé le processus<p>d'instabilité de modulation dans un régime classique. Les<p>paramètres particuliers de notre fibre microstructurée - forte<p>dispersion anormale et biréfringence modérée<p> - nous ont permis d'observer un régime<p>d'instabilité dans lequel l'instabilité de modulation vectorielle<p>se produit à des fréquences proches de la fréquence de pompe<p>($Omegasim 1$THz). Il en résulte que les bandes de gain liées à<p>l'instabilité de modulation vectorielle sont très proches des<p>bandes de gain liées à l'instabilité de modulation scalaire. Nous<p>avons observé que dans ce régime particulier, les densités<p>d'énergie générées par instabilité de modulation vectorielle sont<p>supérieures à celles générées par instabilité de modulation<p>scalaire. A notre connaissance, il s'agit de la première<p>observation expérimentale permettant de mettre en évidence un gain<p>vectoriel supérieur au gain scalaire.<p><p>La génération de paires de photons grâce à ce processus nécessite<p>de diminuer la puissance de pompe envoyée dans la fibre.<p>Malheureusement nous avons mesuré que dans ce régime de faible<p>puissance (régime quantique), la qualité des paires de photons<p>générées était fortement dégradée par la présence de photons<p>parasites générés par diffusion Raman spontanée. Nous avons estimé<p>que lorsque la puissance de pompe est abaissée suffisamment pour<p>générer en moyenne 0,1~photons dans la bande de gain d'instabilité<p>de modulation vectorielle ($sim$1543 nm), environ 75% des<p>photons détectés auront été générés par diffusion Raman spontanée.<p>Afin de mettre en oeuvre des expériences d'optique quantique<p>utilisant des paires de photons, des solutions doivent donc être<p>appliquées à notre source afin de réduire le nombre de photons<p>générés par diffusion Raman spontanée. Parmi ces solutions nous<p>pouvons citer la discrimination en polarisation des photons<p>générés ainsi que le refroidissement de la fibre grâce à de<p>l'azote liquide. Ces solutions permettraient de réduire le nombre<p>de photons Raman anti-Stokes d'un facteur 18 et le nombre de<p>photons Raman Stokes d'un facteur 4. Malheureusement la tenue de<p>la fibre microstructurée à de très basses températures reste<p>incertaine et l'implémentation de ces solutions rendrait la source<p>difficilement utilisable.<p><p><p>Notre première tentative pour générer des paires de photons dans<p>une fibre optique nous a montré que les paires de photons générées<p>grâce à un processus d'interaction non linéaire du troisième ordre<p>étaient polluées par des photons générés par diffusion Raman<p>spontanée. Une source de paires de photons efficace ne pouvait<p>donc pas être obtenue sans l'aide de solutions technologiques<p>assez lourdes à mettre en oeuvre.<p><p>Nous avons donc investigué une deuxième solution afin de réaliser<p>une source produisant des paires de photons dans une fibre<p>optique. Puisque les non-linéarités du troisième ordre semblent<p>être peu adaptées pour la génération de paires de photons, nous<p>sommes revenus à une non-linéarité du second ordre. Dans ces<p>processus c'est un photon de pompe qui est détruit afin de générer<p>une paire de photons, tout en respectant les conservations de<p>l'énergie et de l'impulsion. Malheureusement les fibres optiques<p>ne permettent pas l'apparition de non-linéarités du second ordre<p>et ce, à cause de la centrosymétrie macroscopique du verre de<p>silice qui compose ces fibres.<p><p>Afin d'induire une non-linéarité du second ordre dans une fibre<p>optique nous avons travaillé en collaboration avec l'équipe du<p>Prof. P. G. Kazansky de l'université de Southampton. En utilisant<p>les techniques de poling thermique et d'effacement par<p>illumination UV, ils réalisèrent une fibre optique twin-hole<p>périodiquement polée dans laquelle les non-linéarités du second<p>ordre furent possibles.<p><p>Grâce à cette fibre nous avons réalisé une source de paires de<p>photons combinant les avantages des effets non linéaires du second<p>ordre, i.e. la puissance de pompe nécessaire est moindre<p>que dans le cas d'une non-linéarité du troisième ordre, la<p>diffusion Raman spontanée n'influence aucunement les paires de<p>photons générées, et les avantages de la fibre optique,<p>i.e. la collection des paires de photons y est réalisée<p>de facto, le mode spatial transverse des paires de photons<p>est bien défini. La mesure du pic de coïncidences de notre source<p>fournit un rapport entre le sommet du pic et le niveau des<p>coïncidences accidentelles de 7,5. Une efficacité conversion<p>$P_s/P_p=1,2,10^{-11}$ fut obtenue en utilisant 43~mW de<p>puissance de pompe. En outre les paires de photons générées<p>possèdent une longueur d'onde de 1556~nm se trouvant ainsi dans la<p>bande C des télécommunications optiques (1530-1565~nm). Elles sont<p>donc bien adaptées à une éventuelle application en communication<p>quantique, dans les réseaux de fibres optiques actuellement<p>utilisés pour les télécommunications optiques. Enfin nous avons<p>utilisé ces paires de photons afin de réaliser l'expérience de<p>Hong-Ou-Mandel permettant de mettre en évidence un effet propre à<p>la physique quantique, à savoir le photon bunching. Une visibilité<p>nette de 40% fut obtenue pour le Mandel dip dans une<p>configuration où la visibilité maximale vaut 50%. En outre cette<p>expérience nous a permis de développer une expertise dans la<p>réalisation d'interféromètres fibrés, stabilisés et contrôlés en<p>température.<p><p><p>La source de paires de photons que nous avons réalisée constitue<p>une démonstration de principe quant à la faisabilité d'une telle<p>source. A l'époque de ce travail, la fibre dont nous disposions<p>était l'une des premières fibres twin-hole périodiquement polées.<p>Aujourd'hui de nombreux paramètres de la fibre ont été améliorés<p>et permettent la réalisation d'une source de paires de photons<p>tout à fait compétitive avec les autres sources existantes. Ainsi<p>l'équipe du Prof. Kazansky est capable de réaliser des fibres<p>périodiquement polées de 20 cm de long possédant une efficacité de<p>conversion normalisée de seconde harmonique de<p>$eta_{SH}=8;10^{-2}$\\%/W. Si l'on suppose toujours une puissance<p>de pompe de 43 mW, cela mène à une efficacité de conversion de<p>$1,0;10^{-9}$ pour le processus de fluorescence paramétrique,<p>soit une amélioration de deux ordres de grandeurs par rapport à<p>notre démonstration. La réalisation d'une source de paires de<p>photons dans une fibre optique périodiquement polée qui serait non<p>seulement utilisable dans des expériences de physique fondamentale<p>mais également dans des applications en communication quantique,<p>est donc tout à fait envisageable dans un futur proche.<p><p><p>Pour résumer, nous avons, au cours de cette thèse, réalisé, dans<p>un premier temps, la tâche classiquement impossible qui consiste à<p>jouer à pile ou face à distance. Ensuite dans l'optique de générer<p>des paires de photons, nous avons étudié le processus<p>d'instabilité de modulation dans une fibre microstructurée. Nous<p>avons ainsi observé un régime particulier dans lequel<p>l'instabilité de modulation vectorielle possède un gain supérieur<p>à celui de l'instabilité de modulation scalaire. Enfin toujours en<p>quête d'une source de paires de photons, nous avons réalisé une<p>source produisant des paires de photons par fluorescence<p>paramétrique dégénérée au sein d'une fibre optique twin-hole<p>périodiquement polée. Les trois principaux sujets abordés au cours<p>de cette thèse ont donc en commun l'utilisation de l'optique<p>fibrée pour la manipulation ou la génération d'états quantiques de<p>la lumière. Il en a résulté l'obtention de trois résultats<p>originaux qui nous ont ainsi permis d'explorer une partie du monde<p>intrigant et fascinant de l'optique quantique.<p><p>/<p><p>Quantum physics was introduced early in the 20th century. It<p>brings a whole new description of our world, mostly at the<p>microscopic level. Since then, this new theory has allowed one to<p>explain and describe lots of physical features like the<p>photoelectric effect, the energy levels of atoms, nuclear<p>reactions, It also brought an answer to lots of remaining<p>unanswered questions like the so-called ultraviolet catastrophe.<p>Though, as attractive as this new theory was at that time, some of<p>its counter-intuitive predictions quickly gave rise to<p>controversy. For instance, in 1935, due to one quantum physics<p>feature called entanglement, A. Einstein, B. Podolski and N. Rosen<p>asked the question: "Can quantum-mechanical description of<p>physical reality be considered complete?". This led to<p>the famous debate with N. Bohr and his Copenhagen interpretation.<p>Amongst other particular features of quantum physics one can cite:<p>the superposition principle, the wave function collapse, the<p>Heisenberg uncertainty principle, the wave-particle duality, the<p>no-cloning theorem, As in Alice in wonderland, all those<p>features actually make quantum physics a fascinating world where<p>intuition is most of the time useless.<p><p>In this thesis we tried to observe and study some of the<p>intriguing features of quantum physics. More precisely we tried to<p>use specific light states to explore part of what is called<p>quantum optics.<p><p><p>First we studied the use of coherent states of light to perform<p>tasks you can not perform using classical physics. For instance in<p>1984, Ch. Bennett and G. Brassard proposed the first quantum<p>cryptography protocol which has an absolute security<p>while classical protocol security still relies on some<p>computational assumptions (the assumption is that today<p>computers computational power is not sufficient to threaten the<p>security of classical protocols. Though this means that classical<p>protocols are not intrinsically secure). Since then quantum<p>physics has been proven useful to perform lots of classically<p>impossible tasks like bit commitment, quantum computation, random<p>number generation, In this work we were interested in the<p>problem of coin tossing by telephone introduced by M. Blum<p>in 1981. In this problem two untrustful and distant<p>players try to perform a coin flip. Classically one can show that,<p>if no computational assumptions are made, one of the players can<p>always force the outcome of the coin flip.<p><p>On the opposite if one uses quantum communication resources, a<p>protocol in which none of the players can cheat perfectly can be<p>built, i.e. none of the players have 100\\% chance of<p>winning the protocol even by using the best possible cheating<p>strategy. Moreover this is possible without any other assumption<p>than the validity of the laws of physics. Though a quantum<p>protocol for coin tossing can not completely prevent from cheating, the demonstration of such a protocol would<p>be a proof of principle of the potential of quantum communication<p>to implement classically impossible tasks.<p><p>In our work, we have developed a quantum coin tossing protocol and<p>studied its performances. We have shown that the success cheating<p>probability of the players is bounded by 99,7%<100%, which is<p>better than what is achieved in any classical protocol. One of the<p>originalities of our work is that, for the first time to our<p>knowledge, experimental imperfections (detectors efficiency,<p>losses, limited interference visibility, ) have been taken into<p>account in the theoretical analysis. Moreover, using coherent<p>states of light, we have demonstrated a fiber optic experimental<p>implementation of our protocol and performed a single coin flip<p>where none of the two players could perfectly influence the<p>outcome. This is to our knowledge the first experimental<p>demonstration of single quantum coin tossing.<p><p><p>After coherent states of light, we wanted to work with a more<p>complex quantum state: photon pairs. Not only those states are<p>useful for fundamental physics tests but they also are an<p>important resource for quantum communication. For those reasons<p>our first objective was to build a source that would generate<p>those photon pairs.<p><p>First photon pairs sources were based on bulk nonlinear crystals.<p>Unfortunately the main drawback of those sources is the low<p>collection efficiency of the generated photon pairs. That's why we<p>investigated the possibility of generating the photon pairs<p>directly in a waveguiding structure where they would be readily<p>collected.<p><p>The first solution that we envisaged was to use the natural third<p>order nonlinearity of silica fibers. More precisely the phenomenon<p>we wanted to used is called modulation instability. In this<p>process, two pump photons are destroyed and a photon pair is<p>created with energy and momentum conservations. Moreover we<p>decided to use this process in a photonic crystal fiber. The high<p>confinement of light in this kind of fiber allows a higher<p>nonlinearity and thus a more efficient generation of photon pairs.<p>Finally the fiber we used was birefringent which enables both<p>vectorial and scalar modulation instability to occur.<p><p>As a first experiment, we decided to observe modulation<p>instability in a classical regime where a lot of photons are<p>created. The specific parameters of our photonic crystal fiber -<p>high anomalous dispersion and moderate birefringence - allowed us<p>to observe a regime where the vectorial instability gain band has<p>a similar detuning from the pump as the scalar instability gain<p>band. In this regime we also observed an enhancement of the<p>vectorial gain above the scalar gain which has been confirmed<p>theoretically. To our knowledge this was the first experimental<p>observation of this particular regime of instability.<p><p>To generate photon pairs with this instability process we need to<p>lower down the pump power. Unfortunately we measured that, when<p>pump power was sufficiently lowered to generate ~0,1 photon<p>pairs per pump pulse sent in the fiber, about 75% of generated<p>photons were created by spontaneous Raman scattering and not<p>modulation instability. In order to build an efficient photon pair<p>s secteurs financiers et, en particulier, au rôle de la religion musulmane. Nous montrons que, en moyenne, la finance islamique favorise le développement du secteur bancaire dans les pays musulmans. Plusieurs pays ont en effet réussi à développer un nouveau secteur bancaire compatible avec la Shariah, sans porter ombrage au secteur bancaire non islamique avec lequel il co-existe. Notre analyse empirique est fondée sur une base de données nouvelle et originale. Celle-ci a pour intérêt de fournir des indicateurs de taille et de performance des banques islamiques de dépôt dans le monde, pour la période 2000-2005.<p> Dans le deuxième essai, nous explorons les rendements inconditionnels obtenus sur les marchés boursiers, en particulier les marchés émergents d'actions. Notre analyse d'un large panel de 53 marchés émergents "Majeurs" et "Frontières" confirme les résultats traditionnellement observés dans la littérature. Ainsi, pour l'essentiel, les deux types de marchés sont volatils et émaillés d'événements extrêmes. De plus, les rendements des marchés émergents sont faiblements corrélés avec ceux du reste du monde, même si ces corrélations ont augmenté au cours des derniers décennies. Malgré d'importantes différences en terme de taille et de liquidité, les rendements sur marchés "Frontières" sont qualitativement similaires à ceux des marchés "Majeurs", à l'exception des corrélations. Ces dernières sont en effet actuellement plus faibles dans les marchés "Frontières", qui continuent dès lors à offrir d'importants bénéfices de diversification aux investisseurs internationaux.<p> Dans le dernier essai, nous examinons la relation entre les transferts d'argent des migrants et la croissance économique. Nous confirmons l'idée que les transferts de fonds des migrants sont importants pour les pays en voie de développement. Mais surtout, nous démontrons, de manière théorique et empirique, qu'il est crucial de faciliter dans ces pays l'accès aux comptes de dépôt bancaires, afin de transformer une plus grande part des transferts des migrants en investissements productifs. Ceci est d'autant plus vrai quand l'accès aux autres sources de capitaux internationaux est coûteux.<p>on pairs well defined). A coincidence<p>measurement was performed resulting in a coincidence peak with a<p>7,5 ratio between the peak and the accidental coincidences level.<p>A conversion efficiency $P_s/P_p=1,2,10^{-11}$ was obtained using<p>43 mW of pump power. Moreover photon pairs were generated around<p>1556~nm in the optical communications C-band, which makes them<p>suitable for quantum communication applications using installed<p>fiber optic networks. Finally using the generated photon pairs we<p>performed the Hong-Ou-Mandel experiment highlighting the bosonic<p>nature of photons. We obtained a Mandel dip with a net visibility<p>of 40% in a configuration where the maximum visibility is 50%.<p><p>The photon pair source that we realized is a proof of principle of<p>the high potential of poled fibers in quantum applications. Indeed<p>today, Prof. P. G. Kazansky's team is able to make a 20 cm poled<p>fiber with a nonlinearity $eta_{SH}=8;10^{-2}$\\%/W. If we still<p>suppose 43~mW of pump power, this leads to a $1,0;10^{-9}$<p>conversion efficiency for parametric fluorescence, improving our<p>result by two orders of magnitude. The realization of an efficient<p>photon pair source based on parametric fluorescence in<p>periodically poled twin-hole fiber suitable for quantum<p>applications is thus absolutely possible in a very near future. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished
| Identifer | oai:union.ndltd.org:ulb.ac.be/oai:dipot.ulb.ac.be:2013/210446 |
| Date | 07 November 2008 |
| Creators | Nguyen, Anh Tuan |
| Contributors | Emplit, Philippe, Massar, Serge, Haelterman, Marc, Cerf, Nicolas, Merolla, Jean-Marc, Kazansky, Peter |
| Publisher | Universite Libre de Bruxelles, Université libre de Bruxelles, Faculté des sciences appliquées – Physique, Bruxelles |
| Source Sets | Université libre de Bruxelles |
| Language | French |
| Detected Language | French |
| Type | info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, info:ulb-repo/semantics/doctoralThesis, info:ulb-repo/semantics/openurl/vlink-dissertation |
| Format | 1 v., No full-text files |
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