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Nous explorons l’intrication d’états mixtes, particulièrement d’états de Hall quantiques, par le biais de l’information mutuelle (MI) et de la négativité logarithmique (LN) fermionique. Cette dernière est une bonne mesure d’intrication pour des états mixtes quantiques car elle ne capture pas de corrélations classiques comme la MI. Nous étudions des géométries tripartites qui contiennent des coins où, en plus de la loi du périmètre standard, l’intrication reçoit une contribution angulaire : le terme de coin. Avec l’entropie d’intrication, ce terme a été étudié pour divers états purs, y compris les états de Hall quantiques entier (IQH), et il a été constaté que la fonction angulaire est presque universelle ; elle ne dépend pas des détails microscopiques de l’état en considération. Nous faisons des prédictions sur la forme du terme de coin de la LN et de la MI en utilisant des propriétés générales. Nous testons numériquement nos prédictions sur des états IQH à différents remplissages et sur différentes géométries en utilisant deux méthodes, une dans l’espace des impulsions et une dans l’espace réel. Dans les états fondamentaux, nous trouvons que les termes de coin de la MI et de la LN suivent également le comportement quasi-universel. À température finie et des coins d’angle π/2, le coefficient de la loi du périmètre et les termes de coin atteignent d’abord un plateau puis décroissent rapidement avec la température. Les effets de température finie sont étudiés davantage en travaillant dans les limites de faibles et fortes températures., We explore the entanglement of quantum mixed states, with an emphasis on quantum Hall states, via the mutual information (MI) and the fermionic logarithmic negativity (LN). The latter is a good measure of entanglement for quantum mixed states as it does not capture classical correlations, unlike the MI. We study tripartite geometries with corners where in addition to the standard boundary law, the entanglement receives an angle-dependent contribution : the corner term. Using the entanglement entropy, this corner term has been studied for various pure states, including integer quantum Hall (IQH) states, and it was found that the angle-dependent function is almost super-universal; it does not depend on the microscopic details of the state under consideration. First, we make predictions on the form of the corner term for the LN and MI using general properties. Then, we test our predictions numerically on IQH states at different fillings and on different geometries, using two approaches, one in momentum space and one in real space. In groundstates, we find that the corner terms of the MI and LN also follow the quasi-universal behaviour. At finite temperatures and angle π/2, we find that the boundary law coefficient and corner terms first plateau then decay rapidly with temperature. The finite-temperature effects are studied in more details by working in low and high temperature limits.

L'informatique quantique, ce surprenant mariage entre informatique et physique, est un domaine riche en nouvelles idées, autant pour la technologie future qu'une meilleure compréhension de notre univers. C'est le phénomène de l'intrication qui est au coeur de cette nouvelle façon de voir l'information. Ce mémoire porte sur l'étude des corrélations quantiques observées dans la nature, mises de l'avant, entre autres, par John Bell. Plus particulièrement, deux jeux non signalants, dans lesquels ces corrélations se manifestent, sont étudiés: le jeu CHSH, probablement l'exemple le plus connu à ce jour, et le jeu de pseudotélépathie du carré magique. Pour ce faire, deux points de vue seront adoptés, soit probabiliste et algorithmique. Le premier est motivé par la prédiction (ce qui aurait pu se passer), tandis que le second s'intéresse à l'information intrinsèque contenue dans un objet (ce qui s'est passé). Les concepts «aléatoire» et «information» seront donc abordés premièrement à la Shannon (approche probabiliste) puis à la Kolmogorov (approche algorithmique). C'est la complexité de Kolmogorov qui sera utilisée pour quantifier l'information de façon factuelle. De plus, le cas particulier où plusieurs répétitions d'un jeu sont jouées en parallèle dans un monde classique sera examiné. Le théorème des répétitions parallèles, résultat important sur le sujet démontré par Ran Raz, sera présenté et utilisé par la suite dans l'étude algorithmique des jeux CHSH et du carré magique., Quantum information, this intriguing marriage between computer science and physics, is a promising field of research for future technologies as well as a better understanding of our universe. Entanglement is at the very heart of this new way of understanding information. This thesis focuses on quantum correlations that are observed in nature. They have been studied in great detail by, among others, John Bell. More specifically, two non-signaling games, in which these correlations arise, are studied: the CHSH game, which is probably the best-known example of such games, and the magic square pseudotelepathy game. To do so, two points of view will be adopted: probabilistic and algorithmic. The first is motivated by prediction (what could have happened) and the second focuses on the intrinsic information about an object (what happened). Therefore, the concepts of randomness and information are first addressed from Shannon’s point of view (probabilistic approach) and second from Kolmogorov’s point of view (algorithmic approach). Kolmogorov complexity is used to quantify information in a factual way. Furthermore, the particular case in which multiple repetitions of a game are played in parallel in a classical world is considered. The parallel repetition theorem, an important result on the subject proven by Ran Raz, is presented and used in the algorithmic study of the CHSH game and the magic square game.

Quantum state estimation, or tomography, is a key component of quantumtechnologies, allowing to characterise quantum operations and to extract information on theresults of quantum information processes. The usual tomography techniques rely on ideal,single-shot measurements of the unknown state. In this work, we use a new approach, calledtrajectory quantum tomography, where the quantum trajectory of each realization of thestate is recorded through a series of measurements, including experimental imperfectionsand decoherence. This strategy increases the extracted amount of information and allowsto build new measurements for a set of feasible measurements.Using the tools of cavity quantum eletrodynamics, we have prepared entangled states ofmicrowave photons spread on two separated modes. We have then performed a trajectorytomography of these states, in a large Hilbert space. We have proved that this methodallows to estimate the state, to develop faster strategies for extracting information on specificcoherences of the state and to compute error bars on the components of the estimateddensity matrix.; La reconstruction d’états quantiques, ou tomographie, joue un rôle central dansles technologies quantiques, afin de caractériser les opérations effectuées et d’extraire del’information sur les états résultats de traitements d’information quantique. Les méthodesrépandues de tomographie reposent généralement sur des mesures idéales, effectuées uneseule fois sur chaque préparation de l’état d’intérêt. Dans ce travail, nous utilisons unenouvelle méthode, appelée tomographie par trajectoires, qui consiste à enregistrer, pourchaque réalisation de l’état, la trajectoire quantique suivie par le système à l’aide d’unesérie de mesures successives du système, en présence d’imperfections expérimentales et dedécohérence. On extrait alors plus d’information sur l’état à reconstruire et on est capable,à partir d’un ensemble de mesures accessibles données, de créer des mesures plus générales.À l’aide des techniques de l’électrodynamique quantique en cavité, nous avons préparé desétats intriqués de photons micro-onde délocalisés sur deux modes distants. Nous avonsensuite reconstruit ces états par tomographie par trajectoires, dans un espace de Hilbertde grande dimension. Nous montrons que cette méthode permet de reconstruire l’état, dedévelopper des stratégies de mesure adaptées pour accélérer l’extraction d’information surles cohérences quantiques d’intérêt et qu’elle fournit une estimation de l’incertitude sur lescoefficients de la matrice densité reconstruite.

Here we examine standard signal processing issues, such as signal detection in noise, parametric estimation from noisy signals, transmission of information over a noisy channel, but in a quantum framework. We follow more specifically a specific thread, already well developed in classical, and constituted by the effects of useful noise or stochastic resonance phenomenon - situations of signal or information processing in the presence of noise, where the performance does not monotonically deteriorate when the noise level increases, but instead where the increase in noise can be beneficial to the processing. In the presence of quantum signals and noises, we thus highlight the possibility of such stochastic resonance effects, in tasks of detection, estimation or signal transmission. In these quantum signal processing studies, we also encounter a specifically quantum property consisting of entanglement. We also investigate the contribution of entanglement, with purely quantum benefits that are inaccessible in classical, obtained for signal processing tasks in the presence of noise that we are studying. We also consider two-dimensional signals that can be likened to digital processing of quantum images. The quantum signal processing studies developed here are mainly theoretical and numerical. In addition, we present experimental implementations that we have been able to achieve thanks to a quantum processor made accessible online by the IBM company (IBM Q 14 Melbourne processor of 14 qubits).; Nous examinons ici des problématiques standards du traitement du signal, comme la détection de signaux dans le bruit, l'estimation paramétrique à partir de signaux bruités, la transmission d'information sur un canal bruité, mais dans un cadre quantique. Nous suivons plus spécialement un fil conducteur spécifique, déjà bien développé en classique, et constitué par les effets de bruit utile ou phénomène de résonance stochastique – des situations de traitement du signal ou de l'information en présence de bruit, où la performance ne se dégrade pas de façon monotone lorsque le niveau du bruit augmente, mais au contraire où l'augmentation du bruit peut se révéler bénéfique au traitement. En présence de signaux et bruits quantiques, nous mettons ainsi en évidence la possibilité de tels effets de résonance stochastique, dans des tâches de détection, d'estimation ou de transmission de signal. Dans ces études de traitement du signal quantique, nous rencontrons également une propriété spécifiquement quantique constituée par l'intrication. Nous approfondissons aussi l'apport de l'intrication, avec des bénéfices purement quantiques inaccessibles en classique, obtenus pour les tâches de traitement du signal en présence de bruit que nous étudions. Nous considérons aussi des signaux à deux dimensions pouvant s'apparenter à du traitement numérique d'images en quantique. Les études de traitement du signal quantique développées ici sont principalement théoriques et numériques. En complément, nous présentons des mises en œuvre expérimentales que nous avons pu réaliser grâce à un processeur quantique rendu accessible en ligne par la compagnie IBM (processeur IBM Q 14 Melbourne à 14 qubits).

After a first quantum revolution marked by the advent of quantum physics and its counter-intuitive laws, the XXIst century is in the throes of a second quantum revolution based on quantum technologies. These promises a major upheaval in the areas of communication, calculation, simulation and metrology. In this thesis, we address two of the four subdomains mentioned above, namely those of communication and quantum metrology. The main word bringing together these works is entanglement. Indeed, we show that, thanks to this fundamental property, the performances of standard communication and metrology systems can be surpassed. Thus, we present how to generate these entangled states responsible for the quantum advantage, and this on two technological platforms. The first platform exploited is silicon. The latter, recent for photonics, combines the advantages of maturity allowing the integration of many micrometric structures on the same chip, with efficient non-linear properties, based on third order process. Silicon is then destined for many applications as we show by generating pairs of spectrally demultiplexed entangled photons directly compatible with standard telecommunication networks. The second platform we present is lithium niobate. The latter, widely used in many quantum photonics demonstrations, has a very important efficiency of entangled photon pairs generation, notably thanks to the exploitation of second order non-linear process. We detail an experiment of hyper-entangled states generation, which, like silicon, is oriented towards the domain of quantum communication. Finally, we also exploit these pairs of entangled photons combined with quantum interferometry methods to realize a quantum metrology experiment. The purpose is to measure with unprecedented precision the refractive indices difference of dual-core fibers.; Après une première révolution quantique marquée par l'avènement de la physique quantique et de ses lois contre-intuitives, le monde du XXIe siècle est en proie à une seconde révolution articulée autour des technologies quantiques. Ces dernières promettent un bouleversement important dans les domaines de la communication, du calcul, de la simulation et de la métrologie. Dans cette thèse, nous abordons deux des quatre sous-domaines cités précédemment, à savoir ceux de la communication et de la métrologie quantique. Le mot d'ordre rassemblant ces travaux est l'intrication. En effet, nous montrons que, grâce à cette propriété fondamentale, les performances des systèmes de communication et de métrologie standards peuvent être surpassés. Ainsi, nous présentons comment générer ces états intriqués responsables de l'avantage quantique, et ce sur différentes plateformes technologiques. La première plateforme exploitée est le silicium. Récente pour la photonique, elle combine des avantages de maturité permettant l'intégration de nombreuses structures micrométriques sur une même puce, avec des propriétés non-linéaires, basés sur des processus d'ordre 3, efficaces. Le silicium se destine alors à de nombreuses applications comme nous le montrons en générant des paires de photons intriqués démultiplexés spectralement et directement compatibles avec les réseaux de télécommunications standards. La seconde plateforme que nous présentons est le niobate de lithium. Cette dernière, très exploitée dans bon nombres de travaux en photonique quantique, possède une efficacité de génération de paires de photons intriqués très importante, notamment grâce à l'exploitation de processus non-linéaires d'ordre 2. Nous détaillons une expérience de génération d'états hyper-intriqués, qui, à l'instar du silicium, est orientée vers le domaine de la communication quantique. Enfin, nous exploitons aussi ces paires de photons intriqués combinés à des méthodes d'interférométrie quantique afin de réaliser une expérience de métrologie quantique. Le but de cette dernière étant de mesurer avec une précision inédite la différence d'indices de réfraction de fibres bi-coeurs.

After a first quantum revolution marked by the advent of quantum physics and its counter-intuitive laws, the XXIst century is in the throes of a second quantum revolution based on quantum technologies. These promises a major upheaval in the areas of communication, calculation, simulation and metrology. In this thesis, we address two of the four subdomains mentioned above, namely those of communication and quantum metrology. The main word bringing together these works is entanglement. Indeed, we show that, thanks to this fundamental property, the performances of standard communication and metrology systems can be surpassed. Thus, we present how to generate these entangled states responsible for the quantum advantage, and this on two technological platforms. The first platform exploited is silicon. The latter, recent for photonics, combines the advantages of maturity allowing the integration of many micrometric structures on the same chip, with efficient non-linear properties, based on third order process. Silicon is then destined for many applications as we show by generating pairs of spectrally demultiplexed entangled photons directly compatible with standard telecommunication networks. The second platform we present is lithium niobate. The latter, widely used in many quantum photonics demonstrations, has a very important efficiency of entangled photon pairs generation, notably thanks to the exploitation of second order non-linear process. We detail an experiment of hyper-entangled states generation, which, like silicon, is oriented towards the domain of quantum communication. Finally, we also exploit these pairs of entangled photons combined with quantum interferometry methods to realize a quantum metrology experiment. The purpose is to measure with unprecedented precision the refractive indices difference of dual-core fibers.; Après une première révolution quantique marquée par l'avènement de la physique quantique et de ses lois contre-intuitives, le monde du XXIe siècle est en proie à une seconde révolution articulée autour des technologies quantiques. Ces dernières promettent un bouleversement important dans les domaines de la communication, du calcul, de la simulation et de la métrologie. Dans cette thèse, nous abordons deux des quatre sous-domaines cités précédemment, à savoir ceux de la communication et de la métrologie quantique. Le mot d'ordre rassemblant ces travaux est l'intrication. En effet, nous montrons que, grâce à cette propriété fondamentale, les performances des systèmes de communication et de métrologie standards peuvent être surpassés. Ainsi, nous présentons comment générer ces états intriqués responsables de l'avantage quantique, et ce sur différentes plateformes technologiques. La première plateforme exploitée est le silicium. Récente pour la photonique, elle combine des avantages de maturité permettant l'intégration de nombreuses structures micrométriques sur une même puce, avec des propriétés non-linéaires, basés sur des processus d'ordre 3, efficaces. Le silicium se destine alors à de nombreuses applications comme nous le montrons en générant des paires de photons intriqués démultiplexés spectralement et directement compatibles avec les réseaux de télécommunications standards. La seconde plateforme que nous présentons est le niobate de lithium. Cette dernière, très exploitée dans bon nombres de travaux en photonique quantique, possède une efficacité de génération de paires de photons intriqués très importante, notamment grâce à l'exploitation de processus non-linéaires d'ordre 2. Nous détaillons une expérience de génération d'états hyper-intriqués, qui, à l'instar du silicium, est orientée vers le domaine de la communication quantique. Enfin, nous exploitons aussi ces paires de photons intriqués combinés à des méthodes d'interférométrie quantique afin de réaliser une expérience de métrologie quantique. Le but de cette dernière étant de mesurer avec une précision inédite la différence d'indices de réfraction de fibres bi-coeurs.

Ce mémoire de maîtrise est consacré à la mise en place d'une technique de spectroscopie quantique comme nouvel outil de caractérisation. La spectroscopie quantique, tout comme la spectroscopie classique, consiste en l'étude des matériaux avec la lumière. La différence est le type de lumière utilisé. Dans le cas présent, on utilise comme sonde des paires de photons qui partagent une propriété très intéressante, soit l'intrication. Les propriétés quantiques que nous promet l'intrication peuvent être utilisées pour donner un net avantage à la lumière quantique sur la lumière dite classique, d'un point de vue spectroscopique. Dans un premier temps, les nombreux avantages qu'offre la spectroscopie quantique seront revus, en explorant les différentes techniques que propose la communauté. En second lieu, les outils théoriques nécessaires à la bonne compréhension du phénomène de génération de photons intriqués, soit la conversion paramétrique spontanée, seront exposés. Ensuite, l'importance de la fonction de corrélation de second ordre dans le formalisme qui décrit la détection de photons intriqués sera discutée. De plus, les propriétés spectrales non classiques du biphoton, soit une paire de photons intriqués, seront exposées. On décrira ensuite les détails expérimentaux portant sur la mise en place d'un interféromètre de type Hong-Ou-Mandel, où l'un des bras contient un matériau à caractériser. L'interaction avec le matériau modifiera les propriétés du biphoton, ce qui sera visible dans le creux d'anti-corrélation causé par l'interférence quantique à deux photons. Malgré l'impossibilité d'observer ce creux d'anti-corrélation à cause du trop faible couplage de la source dans l'interféromètre, la génération de paires de photons intriqués a tout de même été observée. De plus, la possibilité d'observer de l'interférence à deux photons a été montrée en mesurant des oscillations quantiques issues d'interférences à un photon. Cela valide la possibilité d'utiliser cette technique spectroscopique comme nouvel outil de caractérisation., This master's thesis purpose is the implementation of a novel quantum spectroscopy technique for material characterisation. Quantum spectroscopy, like classical spectroscopy, is the study of materials using light. What differs is the type of light which is used. In the present case, photon pairs who share entanglement are used as a probe. From a spectroscopic point of view, the quantum properties of the entanglement can be used to offer a net advantage to quantum light over classical light. First, while exploring the different techniques proposed by the community, we will discuss many advantages offered by the quantum spectroscopy. Next, we will offer the theoritical tools required to the understanding of the entangled photons generation phenomenom, which is the spontaneous parametric down convertion. Then, we will discuss important features of the second order correlation function which are present in the entangled photons detection formalism. Important non classical spectral properties of the biphoton field will also be exposed. In addition, the experimental details about the building of a Hong-Ou-Mandel like interferometer, with a material to characterise in one of the arms, will be given. The interaction with the material will modify the biphoton properties, which will be visible in the anticorrelation dip caused by two-photon quantum interference. Despite the impossibility to measure the anticorrelation dip, because of the too low coupling of the photons in the interferometer, we observed entangled photon generation. Nevertheless, the possibility to observe two-photon interference as been shown by measuring quantum oscillations caused by one photon interference. This validate the possibility to use this technique as a material characterisation spectroscopic tool.

It has been experimentally demonstrated in the 1980s by Alain Aspect that the polarization entanglement between two photons can exist and consequently that the locality is no longer valid in this type of experiment. In our experiments, we seek to highlight this kind of phenomenon on atoms. Measurements will focus on external variables such as speed and we will see what tools we need to achieve them. It is a fundamental physics experiment that, if successful, opens the door to measures of possible effects between gravity and entanglement.; Un phénomène d'intrication entre des photons a été observé dans les années 80 par l'équipe dirigée par Alain Aspect. Cette observation a permis de rendre compte du caractère non local de ce phénomène. Nous verrons comment transposer les expériences d'optique au domaine des atomes froids. Une étude nouvelle d'une source d'atomes corrélée (intriquée ?) en impulsion sera présentée et des expériences d'interférences multiples seront analysées. L'objectif final de notre étude est de montrer qu'un test de violation des inégalités de Bell avec des atomes corrélés en impulsion est possible. C'est une expérience de physique fondamentale qui, si elle réussit, ouvre une porte sur la mesure d'effets de la gravité sur l'intrication, un des grands enjeux de la physique actuelle.

It has been experimentally demonstrated in the 1980s by Alain Aspect that the polarization entanglement between two photons can exist and consequently that the locality is no longer valid in this type of experiment. In our experiments, we seek to highlight this kind of phenomenon on atoms. Measurements will focus on external variables such as speed and we will see what tools we need to achieve them. It is a fundamental physics experiment that, if successful, opens the door to measures of possible effects between gravity and entanglement.; Un phénomène d'intrication entre des photons a été observé dans les années 80 par l'équipe dirigée par Alain Aspect. Cette observation a permis de rendre compte du caractère non local de ce phénomène. Nous verrons comment transposer les expériences d'optique au domaine des atomes froids. Une étude nouvelle d'une source d'atomes corrélée (intriquée ?) en impulsion sera présentée et des expériences d'interférences multiples seront analysées. L'objectif final de notre étude est de montrer qu'un test de violation des inégalités de Bell avec des atomes corrélés en impulsion est possible. C'est une expérience de physique fondamentale qui, si elle réussit, ouvre une porte sur la mesure d'effets de la gravité sur l'intrication, un des grands enjeux de la physique actuelle.

Les solutions analytiques de réseaux photoniques avec revitalisation fractionnelle (FR) et transfert parfait (PST) d'état quantique sont examinées dans ce mémoire. L'approche utilisée pour les concevoir, basée sur les polynômes orthogonaux, est soulignée. Un catalogue de modèles analytiques avec PST est offert et de nouveaux résultats sur leurs propriétés de FR sont également inclus. L'approximation d'interaction aux plus proches voisins est utilisée le plus souvent. Deux solutions analytiques avec des interactions aux deuxièmes voisins sont également présentées. Un chapitre d'introduction portant sur la description du modèle selon le point de vue d'une chaîne de spins ainsi que sur la dérivation du modèle dans les réseaux photoniques à partir des équations de Maxwell précèdent l'article. Le deuxième système avec interactions jusqu'aux deuxièmes voisins est présenté dans l'appendice., The analytic specifications of photonic lattices with fractional revival (FR) and perfect state transfer (PST) are reviewed in this master's thesis. The approach to their design which is based on orthogonal polynomials is highlighted. A compendium of analytic models with PST is offered. New results on their FR properties are included. The nearest-neighbour approximation is adopted in most of the review ; two analytic examples with next-to-nearest neighbour interactions are also presented. An introductory chapter on the description of the model for the spin chain point of view and the derivation of the model in photonic lattices precedes the article. The second system with next-to-nearest neighbour interactions will be presented in the appendix.

This thesis presents solutions to the challenges of developing quantum communication networks. Two powerful experimental devices have been set up relying only on standard telecom and integrated optical components. The first device corresponds to an all-optical synchronization scheme allowing, with an unprecedented accuracy, quantum key distribution at a high rate over long distances. The experimental scheme relies on two independent entangled photon pair sources that have to be synchronized in their emission time. Our approach is based on using a 2.5 GHz picosecond telecom laser as a master clock to efficiently synchronize the different sources. We demonstrate the synchronization for an effective distance of 100 km between sources. With our second device, we perform a squeezing experiment at telecom wavelengths and this for the first time in a fully guided-wave approach. Squeezed light being a fundamental resource for several quantum information protocols, developing plug-and-play experimental devices that are compatible with already existing telecom fiber networks is of first interest in the perspective of future quantum networks. Finally, we propose a quantum description of timing jitter effects in 0N/0FF detectors. Despite the importance of detection systems in emerging photonic quantum technologies, no quantum description of their timing jitter effects has been proposed so far.; Le déploiement de réseaux de communication quantique représente un défi auquel cette thèse apporte des solutions originales. Deux dispositifs très performants sont construits uniquement autour de composants standards de l'optique intégrée et des télécommunications optiques. Le premier correspond à un schéma de synchronisation tout optique sur longue distance à très haute cadence et de précision inégalée pour la communication sécurisée par cryptographie quantique. Le montage expérimental repose sur une configuration de relais quantique mettant en œuvre deux sources indépendantes de paires de photons intriqués dont il faut synchroniser les temps d'émissions. L’idée principale s’appuie sur l’utilisation d’un unique laser télécom picoseconde cadencé à 2.5 GHz afin de générer l’horloge et de pouvoir la distribuer efficacement aux deux sources. Nous démontrons la synchronisation de notre lien relais pour une distance effective séparant les sources de plus de 100 km. Le second dispositif correspond quant à lui à la réalisation d'une expérience de compression à une longueur d'onde des télécommunications réalisée, pour la première fois, de manière entièrement guidée. La lumière comprimée étant une ressource fondamentale dans bon nombre de protocoles d'information quantique, la réalisation de systèmes expérimentaux facilement reconfigurables et compatibles avec les réseaux télécoms fibrés existants représente une étape cruciale en vue du déploiement de dispositifs de communication quantique en régime de variables continues. Enfin, un traitement quantique des effets de gigue temporelle dans les détecteurs de photons 0N/0FF est proposé. Malgré l'importance des systèmes de détection dans les technologies quantiques photoniques émergentes, aucune modélisation quantique de leurs effets de gigue temporelle n'avait été, à notre connaissance, développé jusqu'à présent.

We present in this thesis two experimental works based on the formation of twin images by twin photons : evidence of Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) paradox on single pairs of twin images, and the demonstration of quantum temporal ghost imaging.Entangled photons generated by spontaneous parametric down conversion are used to generate images with a similar distribution of photons in the image plane, or symmetrical in the Fourier plane: the twin images. In a first chapter, we propose a description of the twin images, based on the study of the properties of twin beams, and their acquisition by EMCCD cameras in the photon counting regime.In the second chapter we provide a test of the EPR paradox in single pairs of twin images, without any temporal averaging or properties issued of a set of several images. We show that the intercorrelations of only two pairs of twin images, the first one acquired in the image plane and the other one in the Fourier plane, are sufficient to obtain a high degree of paradox.In the last chapter, we show an experiment of quantum temporal ghost imaging. In this experiment, twin images are used to spatially multiplex a nonreproducible time signal. Although it is acquired without temporal resolution, the photons correlations allow its retrieval.; Nous présentons dans ce mémoire deux travaux expérimentaux basés sur la formation d'images jumelles par des photons jumeaux : la mise en évidence d'un paradoxe de Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) sur des paires uniques d'images jumelles, et la réalisation d'une expérience d'imagerie fantôme temporelle quantique. Les photons intriqués générés par amplifications paramétrique du bruit quantique permettent la formation d'images à la distribution de photons analogue dans le plan image, et symétrique dans le plan de Fourier : les images jumelles. Dans un premier chapitre nous proposons une description préalable de ces images jumelles, basée sur l'étude des propriétés des faisceaux jumeaux, ainsi que leur acquisition par des caméras EMCCD dans un régime de comptage de photons. Dans le second chapitre, nous mettons en évidence un paradoxe EPR sur des paires uniques d'images jumelles, sans aucun recours à des moyennes temporelles ou propriétés issues de l'ensemble des images. Nous montrons que les intercorrélations de seules deux paires d'images jumelles, l'une acquises dans le plan image et l'autre dans le plan de Fourier, sont suffisantes pour obtenir un degré de paradoxe élevé.Dans le dernier chapitre, nous montrons une expérience d'imagerie fantôme temporelle quantique. Dans cette expérience, les images jumelles sont utilisées pour multiplexer spatialement un signal temporel non répétable. Lorsque l'acquisition de ce signal cause la perte de sa résolution temporelle, les corrélations dues aux photons jumeaux permettent sa reconstitution.

We present in this thesis two experimental works based on the formation of twin images by twin photons : evidence of Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) paradox on single pairs of twin images, and the demonstration of quantum temporal ghost imaging.Entangled photons generated by spontaneous parametric down conversion are used to generate images with a similar distribution of photons in the image plane, or symmetrical in the Fourier plane: the twin images. In a first chapter, we propose a description of the twin images, based on the study of the properties of twin beams, and their acquisition by EMCCD cameras in the photon counting regime.In the second chapter we provide a test of the EPR paradox in single pairs of twin images, without any temporal averaging or properties issued of a set of several images. We show that the intercorrelations of only two pairs of twin images, the first one acquired in the image plane and the other one in the Fourier plane, are sufficient to obtain a high degree of paradox.In the last chapter, we show an experiment of quantum temporal ghost imaging. In this experiment, twin images are used to spatially multiplex a nonreproducible time signal. Although it is acquired without temporal resolution, the photons correlations allow its retrieval.; Nous présentons dans ce mémoire deux travaux expérimentaux basés sur la formation d'images jumelles par des photons jumeaux : la mise en évidence d'un paradoxe de Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) sur des paires uniques d'images jumelles, et la réalisation d'une expérience d'imagerie fantôme temporelle quantique. Les photons intriqués générés par amplifications paramétrique du bruit quantique permettent la formation d'images à la distribution de photons analogue dans le plan image, et symétrique dans le plan de Fourier : les images jumelles. Dans un premier chapitre nous proposons une description préalable de ces images jumelles, basée sur l'étude des propriétés des faisceaux jumeaux, ainsi que leur acquisition par des caméras EMCCD dans un régime de comptage de photons. Dans le second chapitre, nous mettons en évidence un paradoxe EPR sur des paires uniques d'images jumelles, sans aucun recours à des moyennes temporelles ou propriétés issues de l'ensemble des images. Nous montrons que les intercorrélations de seules deux paires d'images jumelles, l'une acquises dans le plan image et l'autre dans le plan de Fourier, sont suffisantes pour obtenir un degré de paradoxe élevé.Dans le dernier chapitre, nous montrons une expérience d'imagerie fantôme temporelle quantique. Dans cette expérience, les images jumelles sont utilisées pour multiplexer spatialement un signal temporel non répétable. Lorsque l'acquisition de ce signal cause la perte de sa résolution temporelle, les corrélations dues aux photons jumeaux permettent sa reconstitution.

We report two Quantum Atom Optics experiments : the atomic Hong-Ou-Mandel experiment and preliminary results toward Bell's inequality test on momentum of two atoms. Both experiments reveal interesting behaviors of matter. The first one shows a 2-particle interference and the second one suggests entanglement momenta between two atoms. These aspects of quantum mechanics are really surprising and unintuitive. Realizing these experiments with a few atoms in a controlled environment are necessary to strengthen our understanding of the world, particularly when quantum mechanics and gravitation act simultaneously.; Deux expériences d'Optique Atomique Quantique sont étudiées dans ce manuscrit : l'expérience Hong-Ou-Mandel atomique ainsi qu'une expérience préliminaire au test des inégalités de Bell sur la variable d'impulsion de deux atomes. Ces deux expériences permettent de révéler des comportements très particuliers de la matière. La première produit une interférence à deux particules et la seconde suggère l'intrication de deux atomes en impulsion. Ces deux aspects de la mécanique quantique sont non-intuitifs et surprenants. Pouvoir les réaliser avec quelques atomes dans des environnements contrôlés est nécessaire à la consolidation de nos connaissances des lois de la nature et tout particulièrement quand mécanique quantique et gravitation sont à l'oeuvre simultanément.

This thesis in collaboration with Thales Alenia Space studies quantum cryptographic protocols for n parties in dimension d. We first analyze the family of Bell inequalities called homogeneous Bell inequalities introduces by François Arnault in [1] and we construct several theoretical tools for a better understanding of these inequalities. With these tools, we show how to implement the measurements required to test these inequalities by using optical devices calleds multiport beamsplitters and described by Zukowski et al. in [2]. We use these devices to construct new cryptographic protocols in dimension d called hdDEB which we describe in [3]. Then, we study advantages and drawbacks of the use of quantum cryptography to protect satellite links in a noisy environment. We consider several scenarios with LEO satellites and, for each of them, we conclude about the interest of using Quantum Key Distribution protocols.; Cette thèse réalisée en collaboration avec l’entreprise Thales Alenia Space, qui étudie les protocoles de cryptographie quantique à n parties en dimension d, a un double objectif. D’une part, nous analysons la famille des inégalités de Bell homogènes introduites par par François Arnault dans [1] afin de proposer des outils théoriques pour leur compréhension et leur implémentation à l’aide d’appareils optiques appelés ditters dont une représentation mathématique est donnée par Zukowski et al. dans [2]. Avec ces outils théoriques, nous proposons de nouveaux protocoles cryptographiques en dimension d qui sont décrits dans [3] et qui utilisent ces inégalités. D’autre part, nous étudions les avantages et inconvénients de la cryptographie quantique pour la protection des communications avec un satellite LEO en environnement bruité dans différents scénarios et, pour chacun de ces scénarios, nous concluons sur l’intérêt d’utiliser des protocoles de Distribution Quantique de Clés.

We present two quantum plasmonics experiments, namely quantum optics on surface plasmons. In the first experiment, we show the wave-particle duality of a single surface plasmon along the same lines as the single-photon interferences experiment of Philippe Grangier, Gérard Roger and Alain Aspect (2). In the second experiment, we bring out between a photon and a surface plasmon. We generate paires of polarization entangled photons and separate the pair photons spatially. A former photon is send to a semi-plasmonic Mach-Zehnder interferometer whose first beam splitter is a polarization beam splitter whose output are converted to plasmons and on a plasmonic beamsplitter.; Nous présentons deux expériences de plasmonique quantique, c’est-à-dire des expériencesd’optique quantique ayant pour support des plasmons de surface. Dans la première expérience, nous montrons la dualité onde-corpuscule d’un plasmon de surface unique (1) en utilisant la démarche de l’article de Philippe Grangier, Gérard Roger et Alain Aspect (2) sur les interférences à un photon unique. Dans la deuxième expérience, nous mettons en évidence les propriétés d’intrication entre un photon et un plasmon de surface. Nous produisons des photons intriqués en polarisation et les séparons spatialement.

Pour décrire les vibrations à l'intérieur des molécules diatomiques, le potentiel de Morse est une meilleure approximation que le système de l'oscillateur harmonique. Ainsi, en se basant sur la définition des états cohérents et comprimés donnée dans le cadre du problème de l'oscillateur harmonique, la première partie de ce travail suggère une construction des états cohérents et comprimés pour le potentiel de Morse. Deux types d’états seront construits et leurs différentes propriétés seront étudiées en portant une attention particulière aux trajectoires et aux dispersions afin de confirmer la quasi-classicité de ces états. La deuxième partie de ce travail propose d'insérer ces deux types d’états cohérents et comprimés de Morse dans un miroir semi-transparent afin d'introduire un nouveau moyen de créer de l'intrication. Cette intrication sera mesurée à l’aide de l’entropie linéaire et nous étudierons la dépendance par rapport aux paramètres de cohérence et de compression., In order to describe the vibrations inside a diatomic molecule, the Morse potential is a better approximation than the harmonic oscillator system. Thus, based on the definition of the coherent states given in the context of the harmonic oscillator, the first part of this work suggests a construction for the squeezed coherent states of the Morse potential. Two types of states will be constructed and their diverse properties will be studied with special attention to the trajectories and dispersions in order to confirm their quasi-classicity. The second part of this work proposes to insert those two types of Morse squeezed coherent states in a beam splitter in order to introduce a new way of creating entanglement. This entanglement will be measured by the linear entropy and we will study the dependence with the coherence and squeezing parameters.

Mon activité s'inscrit dans le cadre de l'information et de l'optique quantiques fondamentales et appliquées. L'axe principal concerne la réalisation des briques photoniques élémentaires utiles aux réseaux quantiques, qui permettent à la fois la communication longue portée et le traitement de l'information quantique. Ces briques, à base d'optique intégrée, permettent d'exploiter efficacement les interactions non−linéaires optique−optique et électro−optique induites par le fort confinement des champs optiques au sein des structures guidantes. L'apport de cette technologie représente un atout essentiel lorsqu'il s'agit d'implémenter une véritable ingénierie de l'intrication, qui est l'une des ressources fondamentales de l'information quantique. J'entreprends également une recherche exploratoire visant le stockage quantique au sein d'ensembles d'atomes froids via le transfert de l'information quantique portée par des photons sur une onde de spin imprimée sur les atomes.

In the introductory chapter we first give the major results about entanglement and open quantum systems. In particular we give the proof of entanglement sudden death (ESD) for two qubits (two level quantum systems) interacting with their own heat bath at positive temperature. We propose in the first chapter a method to protect qubits against ESD, based on continuous measurements of the baths and using the theory of quantum jumps and stochastic differential equations. In the second chapter, we study a subset of two qubits states : the set of states that we can represent in the canonical basis by an X-form matrix. We also give explicit formulas for decompositions of a separable X-state in a convex sum of five pure product states. We generalize this study to the set of states obtained from X-states by a conjugation with local unitary operators. Furthermore, we give an algorithm to decompose a separable state of this set in a convex sum of five pure product states. Finally, in the third chapter we study entanglement of two qubits in a model of repeated interactions with the same spin chain in the van Hove and singular coupling limits. In particular we observe non zero asymptotic entanglement when the chain is at infinite temperature and phenomenons of entanglement sudden birth when the chain is at zero temperature., On commence dans le chapitre d'introduction par rappeler les résultats majeurs sur l'intrication et les systèmes quantiques ouverts. Puis en particulier on prouve la désintrication en temps fini pour deux qubits (systèmes quantiques à deux niveaux d'énergie) en interaction avec des bains thermiques distincts à température positive. On propose dans le premier chapitre de cette thèse une méthode pour empêcher la désintrication en temps fini basée sur des mesures continues sur les bains et utilisant la théorie des sauts quantiques et celle des équations différentielles stochastiques. Dans le deuxième chapitre on étudie un sous-ensemble des états de deux qubits : celui des états qu'on peut représenter dans la base canonique pour une matrice ayant une forme de X. Cela nous permet d'obtenir des formules explicites pour la décomposition d'un état X séparable en au plus cinq états purs produits. On généralise ensuite cette étude à l'ensemble des états obtenus à partir d'états X par conjugaison avec des unitaires locaux. Puis on donne un algorithme pour décomposer tout état séparable de cet ensemble en une combinaison convexe de cinq états purs produits. Le troisième chapitre de cette thèse propose l'étude de l'évolution de l'intrication de deux qubits dans un modèle d'interactions répétées avec la même chaîne de spins dans les limites de van Hove et de couplage singulier. En particulier on observe une intrication asymptotique non nulle quand la chaîne est à température infinie et des phénomènes de création d'intrication quand la chaîne est à température nulle.

This thesis deals with the study of dipole-dipole interaction between Rydberg atoms, in particular of Landau-Zener transitions around a Förster resonance for Rydberg atoms pairs. The adiabaticity of the transition depends of the interatomic distance and is controlled by a time-dependant electric field. The adiabatic transition efficiency is the control knob to probe the nearest neighbour distribution. We infer a new and original method to measure the density of a gas very accurately by probing the nearest neighbour distibution in the gas, which depends parametrically on its density. Such adiabatic transitions should leave the pair of Rydberg atoms in an entangled state. We investigated how quantum fluctuations could reveal the atom entanglement, in two-atom Rabi oscillation measurements.; Cette thèse porte sur l’étude des interactions dipôle-dipôle entre des atomes de Rydberg froids formés au sein d'un jet supersonique, en particulier sur l'étude des transitions Landau-Zener autour d'une résonance de Förster dans des sytèmes de paires d'atomes de Rydberg. L'adiabaticité de la transition dépend de la distance entre les atomes de la paire et est contrôlée par l'application d'un champ électrique homogène dépendant du temps. L'étude des processus binaires, non collisionnels et dont l'efficacité est contrôlé par l'expérimentateur, permet de sonder l'environnement de chaque atome et constitue une mesure de la distribution de plus proches voisins. Nous en déduisons une méthode originale de mesure directe et précise de la densité d'un gaz de Rydberg. Cette méthode ne nécessite ni la connaissance du nombre d'atomes de Rydberg ni celle du volume du gaz. Après un passage adiabatique de paire, les atomes de Rydberg constituant cette paire se trouvent dans un état intriqué. Nous proposons une méthode pour prouver leur intrication, fondée sur la mesure de la fluctuation quantique au cours d'oscillations de Rabi entre des états de paire.

This thesis aim at showing the interest of using integrated optics to handle the topic of long distance quantum communication. Integrated optics brings on several advantages such as high confinement for non-linear interaction, single mode operation, and unmatched stability. We propose to demonstrate by presenting the study and the realization of various key elements for long distance quantum communication. After a short introduction on quantum information to explain the current challenges in this field, we present the realization of three entangled photon pair sources for the observables polarization (2) and time-bin (1), emitting at telecom wavelengths. These sources are among the best ever reported in terms of brightness and entanglement quality. In the last part, we present the development and the implementation of a more advanced key element: a quantum relay chip. Such a chip allows to increase the quantum communication distance by 1.8 times. For the first time, this realization merges, in the same component, two non-linear effects: one optics-optics related for generation of entangled photon pairs, and the other, based on electro-optics for controllable photon routing. A two-photon interference experiment has been realized between a photon emitted by the chip and another one from an external source. Demonstrating a visibility of 79%, in full agreement with the theoretical predictions, enabled us to prove the pertinence of our approach.; Cette thèse présente l'étude et la réalisation de différents éléments clés pour la communication quantique longue distance. Pour cela, nous tirons parti de l'optique intégré sur de niobate de lithium, qui permet de mettre en exergue les propriétés non-linéaire de ce matériau. Après une brève introduction sur l'information quantique nous permettant de mettre en avant les enjeux actuels du domaine, nous nous intéressons à la réalisation de trois sources de paires de photons intriqués sur les observables polarisation (2) et time-bin (1), émettant aux longueurs d'onde des télécommunications. Ces réalisations font parties des meilleures sources actuelles aussi bien en terme de brillance que de qualité d'intrication mesurée, le tout alliant compacité et simplicité d'utilisation. Dans un second temps, nous présentons l'élaboration et la mise en oeuvre d'un relais quantique entièrement intégré. Pour cette réalisation, nous avons mergé au sein d'un même composant, pour la première fois, deux effets non-linéaires, l'un optique-optique pour la génération de paires de photons intriqués, et l'autre électro-optique pour le routage contrôlablé des photons. Une expérience d'interférence à deux photons entre un photon émis par la puce et un photon issu d'une source externe nous a permis de valider notre approche en obtenant une visibilité de 79% en accord avec les prédictions théoriques. Cette puce peut devenir un élément clé de la communication quantique car il permet d'accroître les distances de communication par un facteur 1.8.

This thesis aim at showing the interest of using integrated optics to handle the topic of long distance quantum communication. Integrated optics brings on several advantages such as high confinement for non-linear interaction, single mode operation, and unmatched stability. We propose to demonstrate by presenting the study and the realization of various key elements for long distance quantum communication. After a short introduction on quantum information to explain the current challenges in this field, we present the realization of three entangled photon pair sources for the observables polarization (2) and time-bin (1), emitting at telecom wavelengths. These sources are among the best ever reported in terms of brightness and entanglement quality. In the last part, we present the development and the implementation of a more advanced key element: a quantum relay chip. Such a chip allows to increase the quantum communication distance by 1.8 times. For the first time, this realization merges, in the same component, two non-linear effects: one optics-optics related for generation of entangled photon pairs, and the other, based on electro-optics for controllable photon routing. A two-photon interference experiment has been realized between a photon emitted by the chip and another one from an external source. Demonstrating a visibility of 79%, in full agreement with the theoretical predictions, enabled us to prove the pertinence of our approach.; Cette thèse présente l'étude et la réalisation de différents éléments clés pour la communication quantique longue distance. Pour cela, nous tirons parti de l'optique intégré sur de niobate de lithium, qui permet de mettre en exergue les propriétés non-linéaire de ce matériau. Après une brève introduction sur l'information quantique nous permettant de mettre en avant les enjeux actuels du domaine, nous nous intéressons à la réalisation de trois sources de paires de photons intriqués sur les observables polarisation (2) et time-bin (1), émettant aux longueurs d'onde des télécommunications. Ces réalisations font parties des meilleures sources actuelles aussi bien en terme de brillance que de qualité d'intrication mesurée, le tout alliant compacité et simplicité d'utilisation. Dans un second temps, nous présentons l'élaboration et la mise en oeuvre d'un relais quantique entièrement intégré. Pour cette réalisation, nous avons mergé au sein d'un même composant, pour la première fois, deux effets non-linéaires, l'un optique-optique pour la génération de paires de photons intriqués, et l'autre électro-optique pour le routage contrôlablé des photons. Une expérience d'interférence à deux photons entre un photon émis par la puce et un photon issu d'une source externe nous a permis de valider notre approche en obtenant une visibilité de 79% en accord avec les prédictions théoriques. Cette puce peut devenir un élément clé de la communication quantique car il permet d'accroître les distances de communication par un facteur 1.8.

Awareness of entanglement arised in quantum mechanics as Einstein, Poldosky and Rosen questionned the completeness of quantum mechanics theory. As demonstrations of this phenomenon became more and more convicing, physicists began to use it to process information for quantum information and quantum computation applications. In the latter, experimentalists have been able to provide proofs of principle, but now face the challenge to scale up the number of carriers of information while keeping a complete control over them. This thesis contributes to this general framework. We present here an experiment where manipulation of two cold rubidium atoms individually trapped in optical tweezers allows us to study their dipole-dipole interaction when excited in a Rydberg state. We demonstrate the phenomenon of Rydberg blockade and use it to entangle the two atoms. Finally we present our measurements of the interaction between atoms, supported by our theoretical models, to discuss the limitations of our experiment.; Initialement posée en tant que paradoxe de savoir si la mécanique quantique est une théorie complète ou non, l'intrication entre systèmes physiques est devenue aujourd'hui un moyen de traiter l'information. De cet étrange lien entre information et état quantique est née l'information quantique, que les physiciens essaient de mettre en ÷uvre à travers des protocoles de communication ou de calcul quantique. Si les concepts de base ont été démontrés, le défi majeur actuellement est notre capacité à augmenter le nombre de porteurs de l'information sans perdre cette dernière. Le cadre de cette thèse s'inscrit dans cette démarche. Nous présentons une expérience de manipulation d'atomes froids de rubidium, piégés individuellement dans des pinces optiques, dont nous activons l'interaction en les excitant dans des états de Rydberg pour réaliser une opération d'intrication. Nous démontrons également le phénomène de blocage de Rydberg nécessaire à l'intrication entre les deux atomes. Enfin nous présentons nos mesures de l'interaction entre atomes, appuyées par nos modèles théoriques, pour discuter des limites de notre expérience.

Awareness of entanglement arised in quantum mechanics as Einstein, Poldosky and Rosen questionned the completeness of quantum mechanics theory. As demonstrations of this phenomenon became more and more convicing, physicists began to use it to process information for quantum information and quantum computation applications. In the latter, experimentalists have been able to provide proofs of principle, but now face the challenge to scale up the number of carriers of information while keeping a complete control over them. This thesis contributes to this general framework. We present here an experiment where manipulation of two cold rubidium atoms individually trapped in optical tweezers allows us to study their dipole-dipole interaction when excited in a Rydberg state. We demonstrate the phenomenon of Rydberg blockade and use it to entangle the two atoms. Finally we present our measurements of the interaction between atoms, supported by our theoretical models, to discuss the limitations of our experiment.; Initialement posée en tant que paradoxe de savoir si la mécanique quantique est une théorie complète ou non, l'intrication entre systèmes physiques est devenue aujourd'hui un moyen de traiter l'information. De cet étrange lien entre information et état quantique est née l'information quantique, que les physiciens essaient de mettre en ÷uvre à travers des protocoles de communication ou de calcul quantique. Si les concepts de base ont été démontrés, le défi majeur actuellement est notre capacité à augmenter le nombre de porteurs de l'information sans perdre cette dernière. Le cadre de cette thèse s'inscrit dans cette démarche. Nous présentons une expérience de manipulation d'atomes froids de rubidium, piégés individuellement dans des pinces optiques, dont nous activons l'interaction en les excitant dans des états de Rydberg pour réaliser une opération d'intrication. Nous démontrons également le phénomène de blocage de Rydberg nécessaire à l'intrication entre les deux atomes. Enfin nous présentons nos mesures de l'interaction entre atomes, appuyées par nos modèles théoriques, pour discuter des limites de notre expérience.

Consciousness and Quantum Physics. This paper aims to assess the contribution of quantum physics to understand the phenomenon of consciousness. If some quantum approaches to consciousness do not shed any light on the questions that have been shelved by contemporary neurobiology, we show that some others are quite promising. First, by providing, within the framework of quantum field theory, an explanation of the long-range synchronisation of the brain which is required for the integration and the diffusion of information, preliminary to the construction of conscious percepts. Second, by using the quantum concepts of complementarity and entanglement and the corresponding formalism to build a unifying representation of the phenomenon of consciousness that transcends the materialist framework wherein subjective experience has no place. Indeed, quantum theory allows to represent the coemergence of the two entangled psychical and physiological aspects of consciousness from a «neutral » , psychophysical and more fundamental level without appealing to a mysterious concept of causality between mental and physiological processes – a mode of representation that can be used more generally to model the psychosomatic unity of the individual., Cet article a pour objet d’évaluer l’apport de la physique quantique dans la compréhension du phénomène de la conscience. Si certaines approches quantiques de la conscience n’apportent aucun éclairage nouveau aux questions laissées en suspens par la neurobiologie actuelle, nous montrons que d’autres s’avèrent tout à fait prometteuses. D’une part en proposant, dans le cadre de la théorie quantique des champs, une explication de la synchronisation à grande échelle du cerveau qui est requise pour l’intégration et la diffusion de l’information, préalable à la construction de percepts conscients. D’autre part, en utilisant les concepts typiquement quantiques de complémentarité et d’intrication ainsi que le formalisme correspondant pour construire une représentation unifiée du phénomène de la conscience permettant de dépasser le cadre matérialiste dans lequel l’expérience subjective ne trouve aucune place. La théorie quantique permet, en effet, de représenter la co-émergence des deux aspects psychiques et physiologiques enchevêtrés de la conscience à partir d’un niveau «neutre » de réalité psychophysique plus fondamental sans faire appel à un mystérieux concept de causalité entre processus mentaux et physiologiques -un mode de représentation qui peut s’appliquer plus généralement pour modéliser l’unité psychosomatique de l’individu., Uzan Pierre. Conscience et physique quantique. In: Intellectica. Revue de l'Association pour la Recherche Cognitive, n°55, 2011/1. Synesthésie et Intermodalité. pp. 211-240.

Part I describes a series of quantum information experiments with trapped atomic ions. These experiments were performed at NIST, Boulder, Colorado. Part II presents experiments on quantum dots inserted into microcavities. The work was done at Institut Néel - Université Jospeh Fourier Grenoble I., La partie I décrit une série d'expériences en information quantique avec des ions piégés. Ces résultats ont été obtenus au NIST, Boulder, Colorado (USA). La partie II présente des expériences sur des boites quantiques insérées dans des microcavités. Ces expériences ont eu lieu à l'Institut Néel - Université Joseph Fourier Grenoble I.

We study both theoretically and experimentally the generation of quantum correlations in the continuous variable regime by way of four-wave mixing in a hot atomic vapor. Two theoretical approaches have been developed. On one side, we study the four-wave mixing under the "classical" non-linear optics point of view. In such a way we obtain the evolution equation for an ideal linear amplifier in a chi(3) medium. On the other side, we present a microscopic model with 4 levels in the double-Lambda configuration to calculate the chi(3) coefficient in a atomic vapor dressed with a laser. This calculation allows us to derive the spectra of intensity noise for interesting parameters. The experimental part of this work describes the demonstration of this effect on the D1 line of rubidium 85. We present a measurement of relative intensity squeezing as high as -9.2dB below the standard quantum limit, and an original regime where quantum correlations have been measured without amplification. These results have broad applications in the field of multimode quantum optics, e.g. quantum imaging or the multimode quantum memories.; Ce travail de thèse se consacre à l'étude théorique et expérimentale de la génération de corrélations quantiques dans le régime des variables continues par mélange à 4 ondes dans une vapeur atomique. Deux approches théoriques complémentaires sont développées. D'une part, nous étudions le mélange à 4 ondes sous le point de vue de l'optique non-linéaire "classique" afin d'obtenir les équations d'évolution d'un amplificateur idéal pour un milieu de susceptibilité diélectrique chi(3). D'autre part, nous présentons un modèle microscopique à 4 niveaux en double-Lambda permettant de calculer le coefficient chi(3) pour une vapeur atomique en présence de laser, et ainsi obtenir théoriquement les spectres de bruit en intensité des grandeurs observées. La mise en oeuvre expérimentale de ce processus sur la raie D1 du rubidium 85 est ensuite détaillée. Nous présentons notamment un taux de compression sous la limite quantique standard de -9.2dB, ainsi qu'un régime original permettant la génération de corrélations quantiques sans amplification. L'ensemble de ces résultats a des applications très importantes dans le domaine de l'optique quantique multimode. Citons par exemple l'imagerie quantique ou les mémoires quantiques multimodes.

The future of quantum communications lies in the realization of repeaters for which a quantum memory is necessary and allows chaining multiple entanglement swappings. Such memories require photons with very narrow linewidths (< 100MHz), making it challenging to preserve the quality of entangled photon pair sources. Within this framework, we study the performances of twin photon sources based on spontaneous parametric down-conversion (SPDC) in nonlinear crystals. To allow for long-distance propagation, photons are created around 1550 nm and coupled into optical fibres. To anticipate synchronization requirements, we focus on pulsed sources. After studying the consequences of various degrees of freedom on the source performance, we make two contributions that can be used to develop optimal SPDC sources. The first contribution, based on an experimentally-verified theoretical study, is a new general result giving the optimal conditions of parametric interaction that maximize the pair extraction efficiency, as opposed to the mere source brightness. The second contribution is an original technique for directly measuring the pair extraction efficiency. Apart from standard single and coincidence count rates measurements, used for instance in Bell state measurements, this technique only requires the knowledge of the spectral shapes of the filters. These large scope theoretical results and this simple experimental technique are both part of a wider, detailed study on SPDC sources.; L'avenir des communications quantiques réside dans le développement de répéteurs pour lesquels une mémoire quantique est nécessaire et permet de chaîner plusieurs transferts d'intrication. Ces mémoires exigent une largeur spectrale très étroite (< 100MHz), ce qui impose des contraintes fortes sur la qualité des sources de paires de photons intriqués. Dans le cadre de cette faible largeur spectrale, nous étudions les performances des sources de photons jumeaux basées sur la fluorescence paramétrique dans un cristal non-linéaire. Pour assurer la propagation sur de longues distances, les photons sont émis à 1550 nm et couplés dans des fibres optiques. Pour les besoins de synchronisation, nous nous intéressons au cas de sources impulsionnelles. Après une étude de l'effet de leurs différents degrés de liberté sur leurs performances, nous apportons deux contributions utiles à la réalisation de sources optimales. La première, basée sur une étude théorique confirmée par l'expérience, est un résultat nouveau et général donnant les conditions optimales d'interaction paramétrique en vue de maximiser non pas la brillance de la source, mais l'efficacité d'extraction des paires, critique du point de vue de la qualité. La seconde contribution consiste en une technique originale de mesure directe de cette efficacité d'extraction. Outre les mesures de taux de détection (coups simples et coïncidences) effectuées par exemple lors d'une mesure de Bell, cette technique ne fait appel qu'à la connaissance de la forme spectrale du filtrage des photons jumeaux. Ces résultats théoriques de portée générale, et la technique simple développée, constituent deux éléments d'une étude détaillée des sources basée sur la fluorescence paramétrique.

Consider a quantum system composed of two sub-systems: this system is said to be entangled if there are quantum correlations between the states of the latter. The understanding and the engineering of entanglement have implications in quantum metrology, quantum information processing and in the study of strongly correlated systems, and constitutes the general context of this work. In this thesis, we demonstrate the realisation of an entangled state of two independently trapped atoms. We generate entanglement using Rydberg blockade. This phenomenon occurs when two atoms are close enough so that the interaction between two Rydberg atoms is strong: in this case the simultaneous excitation of the two atoms by the same driving pulse may be prevented. Thus, only one atom is excited and this creates correlations between their states, i. e. entanglement. In our experiment, two ground state (5S1/2) rubidium 87 atoms are independently trapped in optical tweezers, with a relative separation of 4 micrometers. By driving two-photon transitions between the 5S1/2 state and the 58D3/2 Rydberg state, we entangle the two atoms in the 5S1/2, F=1, mF=1 and 5S1/2, F=2, mF=2 sublevels. To quantify the amount of entanglement, we measure the fidelity with respect to the target state by driving Raman transitions between those two sublevels. The fidelity of the pairs of atoms still present at the end of the experiment is higher than the threshold value of 0.5, which proves the creation of an entangled state of the two atoms.; Considérons un système quantique constitué de deux sous-systèmes: on dit qu'il est dans un état intriqué s'il existe des corrélations quantiques entre les états de ces derniers. La compréhension et la mise en œuvre d'états intriqués ont de nombreuses applications (métrologie quantique, étude des systèmes fortement corrélés, traitement quantique de l'information, etc.) et constituent le contexte général de ce travail de thèse. Plus en détail, nous démontrons la réalisation d'un état intriqué de deux atomes neutres piégés indépendamment. Pour cela, nous exploitons le phénomène de blocage de Rydberg : lorsqu'on essaie d'exciter simultanément deux atomes séparés de quelques micromètres vers un état de Rydberg donné, la forte interaction entre atomes de Rydberg peut empêcher cette excitation simultanée. Dans ce cas, seul un des deux atomes est excité et l'on génère ainsi des corrélations quantiques entre les états des deux atomes, c'est-à-dire de l'intrication. Dans notre expérience deux atomes de rubidium 87 dans l'état fondamental 5S1/2 sont piégés chacun dans une pince optique microscopique, à une distance relative de 4 micromètres. En réalisant des transitions entre l'état 5S1/2 et l'état de Rydberg 58D3/2 par des transitions à deux photons, nous obtenons un état intriqué des deux atomes dans les sous-niveaux 5S1/2, F=1, mF=1 et 5S1/2, F=2, mF=2. Afin de quantifier l'intrication, nous mesurons la fidélité par rapport à l'état-cible en réalisant des transitions Raman entre ces deux sous-niveaux. La fidélité des paires d'atomes présentes à la fin de l'expérience est supérieure à la valeur seuil de 0,5, ce qui prouve la création d'un état intriqué.

This thesis is devoted to the theory of the invariants of hypermatrices. The origin of the theory of invariants dates from the mid-XIX th century. The general problem, such as it was stated by Cayley in 1843, consists in finding a description of the algebra of the polynomial invariants in the aim of automating the geometric reasoning. Enough quickly strong limitations due to the size of calculations appeared and found this discipline are less and less studied until in the years 1950 when the geometrical theory of the invariants was developed. Nowadays, the progress in the computer sciences allow to complete calculations which had not been able to succeed and to treat new cases. The interest of this discipline increased recently thanks to the discovery of a link with a notion of quantum mechanics which is fundamental in quantum computation: the entanglement. The notion of entanglement is due to Einstein, Podolsky and Rozen who saw in it a proof of the nonconsistency of the quantum theory known under the name of paradox EPR. Since, many experiments, like the experiment of Alain Aspect, show the existence of the entangled states. This document is composed of two parts. In the first, we expose the fundamental techniques of the theory of the invariants and the links with entanglement such as it was proposed by A. Klyachko. We show that the implementation of the Gordan algorithm allows to compute sets of fundamental invariants and covariants of certain multilinear forms. In particular, we illustrate this by giving a complete system of generators for the algebra of the covariants of a quadri-linear form (system of 4-qubits). We show also the limits of this approach: starting the computation for the quinti-linear form (system of 5-qubits), we see that the complexity of the algebras prohibits the generalization of this method. Worse, even if the description of these algebras in term of generators and relations could be obtained, this one would be humanly not usable. We propose then to consider only certain invariants having remarkable properties (for example by studying the structure of Cohen-Macaulay of these algebras). The second part is devoted to a particular invariant : the hyperdeterminant. This polynomial generalizes the determinant in the simplest possible way since it can be defined as a multi-alternated sum on the product of several symmetrical groups. After giving some general properties, we study special cases like the Hankel hyperdeterminants, or the hyperdeterminants of tensors whose entries depend only on the pgcd of indices etc.. Many results of this part are applied to the calculation of iterated integrals In particular, we give a generalization of the Heine theorem an alternative proof of the Selberf integral and generalizations of the de Bruijn integrals.; Ce mémoire est consacré à la théorie des invariants des hypermatrices. L'origine de la théorie des invariants date du milieu du XIX ième siècle. Le problème général, tel qu'il fut énoncé par Cayley en 1843, consiste à trouver une description de l'algèbre des polynômes invariants dans le but d'automatiser le raisonnement géométrique. Assez rapidement de fortes limitations dues à la taille des calculs se manifestèrent et cette discipline se trouva de moins en moins étudiées jusque dans les années 1950 lorsque fut développée la théorie géométrique des invariants. De nos jours, l'accroissement de la puissance de calcul permet de compléter d'anciens travaux qui n'avaient pu aboutir faute de moyen informatique ainsi que de traiter de nouveaux cas. L'intérêt de cette discipline s'est accru depuis peu grâce à la découverte d'un lien avec une notion issue de la mécanique quantique et qui est à la base de l'informatique quantique: l'intrication. Le phénomène d'intrication est apparu en 1937, sous la plume sceptique de trois physiciens, Einstein , Podolsky et Rozen qui voyaient en lui une preuve de la non consistance de la théorie quantique, et est connu depuis sous le nom de paradoxe EPR. Depuis, de nombreuses expériences, dont la célèbre expérience d'Alain Aspect, ont confirmé l'existence des états intriqués.Ce mémoire se décompose en deux parties. Dans la première, nous exposons les techniques fondamentales de la théorie des invariants ainsi que le lien avec l'intrication tel qu'il a été proposé par A. Klyachko. Nous montrons que l'implémentation de l'algorithme de Gordan sur un système de calcul formel permet de calculer des ensembles fondamentaux d'invariants et de covariants de certaines formes multilinéaires. En particulier, nous illustrons ce type de calcul en donnant un système complet de générateurs de l'algèbre des covariants pour une forme quadrilinéaire (système de 4-qubits). Nous montrons aussi les limites de cette approche : en donnant des éléments de calcul de la forme quintilinéaire (système de 5-qubits), nous voyons que la complexités sur-exponentielle des algèbres d'invariants interdit la généralisation de cette méthode. Pire, même si la description de ces algèbres en terme de générateurs et relations pouvait être obtenue, celle-ci serait humainement inexploitable. Nous proposons alors des pistes consistant à ne considérer que certains invariants ayant des propriétés remarquables (par exemple en étudiant la structure de Cohen-Macaulay de ces algèbres). La seconde partie est consacrée à un invariant particulier, l'hyperdéterminant. Ce polynôme généralise le déterminant de la façon la plus simple possible : il s'agit d'une somme multi-alternée sur le produit de plusieurs groupes symétriques. Après avoir donné quelques propriétés générales, nous étudions certains cas particuliers comme les hyperdéterminants de Hankel, ou les hyperdéterminants de tenseurs dont les entrées ne dépendent que du pgcd des indices etc... De nombreux résultats de cette partie sont appliqués au calcul d'intégrales itérés. En particulier, nous donnons une généralisation du théorème de Heine, une preuve alternative de l'intégrale de Selberg et des généralisations des intégrales de de Bruijn.

This thesis studies, both theoretically and experimentally, quantum correlations in the continuous variables regime.The problem of characterizing these correlations is widely approached, especially for Gaussian states. The formalism of covariance matrices is developed, for it is particularly well adapted to this study. The different existing criteria are listed.The main experimental device of this thesis is a self-phase-locked Optical Parametric Oscillator. The criteria enable to characterize the entanglement amount of the beams it generates. Below threshold, the empty beams present a separability of 0.33 and the system apparently violates the Heisenberg inequality by 58%. Above threshold, the obtained bright beams are also strongly non classical: the separability is 0.6 and the Heisenberg inequality is apparently violated by 24%.An original application of this device is proposed: it is theoretically shown that a self-phase-locked two-crystal OPO produces two polarization entangled beams, which should make easier light-matter entanglement transfer., Cette thèse est consacrée à l'étude expérimentale et théorique des corrélations quantiques en variables continues.La question de la caractérisation de ces corrélations est largement abordée, en particulier dans le cas des états gaussiens. Le formalisme mathématique des matrices de covariance, particulièrement adapté à cette étude, est développé ; et les différents critères existants sont répertoriés.Ces critères permettent de caractériser le degré d'intrication des faisceaux générés par le dispositif expérimental au cœur de cette thèse : un Oscillateur Paramétrique Optique auto-verrouillé en phase. Au-dessous du seuil, les faisceaux, de valeur moyenne nulle, présentent une séparabilité de 0,33. Le système viole de manière apparente l'inégalité de Heisenberg de 58%. Au-dessus du seuil, les faisceaux brillants obtenus sont également fortement non classiques : la séparabilité vaut 0,76 et l'inégalité de Heisenberg est violée en apparence de 24%.Une application originale de ce dispositif est proposée : il est montré théoriquement qu'un OPO à deux cristaux auto-verrouillé en phase génère deux faisceaux intriqués en polarisation, ce qui devrait faciliter le transfert de l'intrication de la lumière à la matière.

In this thesis, we develop new methods to generate and analyze non-classical states of the light for quantum information processing. We show that the tools of discrete variables, where light is described in terms of photons, can be combined with a continuous approach, where one considers the quadratures of the electromagnetic field, to efficiently create, transform and analyze complex quantum states. Using ultrashort light pulses, we prepared optical "Schrödinger cats", defined as quantum superpositions of coherent states. In this case the Wigner function, describing the quantum statistics of the electromagnetic field, differs from a classical probability distribution and takes negative values. Time-resolved homodyne tomography allowed us to realize the first experimental observation of this negativity for small free-propagating "Schrödinger kittens". Furthermore, we developed and experimentally demonstrated a protocol to prepare arbitrarily large "Schrödinger cat" states, opening a way towards numerous quantum information processing protocols. We have shown experimentally that conditional photon subtraction allows one to increase the entanglement of gaussian states. We used this method to entangle two initially independent distant light pulses, using a low-transmission quantum channel. This approach allows one to prepare strongly entangled states with negative Wigner functions between distant sites, as required for entanglement distillation and long-distance quantum communications.; Cette thèse porte sur la manipulation d'états non-classiques de la lumière, et leurs applications à l'information quantique. Nous montrons que les outils propres à une description discrète, où la lumière est considérée comme un ensemble de photons, peuvent être efficacement combinés avec une approche continue, où l'on s'intéresse aux quadratures de l'onde électromagnétique, pour créer, transformer et analyser des états quantiques complexes. Nous avons ainsi préparé des impulsions lumineuses ultrabrèves dans des états "chat de Schrödinger" (superpositions quantiques d'états cohérents). Le champ électromagnétique de l'onde lumineuse n'est alors plus décrit par une distribution statistique classique, mais par une fonction de Wigner prenant des valeurs négatives. Grâce à une reconstruction par tomographie homodyne, nous avons réalisé la première observation expérimentale de cette négativité pour de petits " chatons de Schrödinger " en propagation libre. Nous avons ensuite développé et démontré expérimentalement un protocole permettant de préparer des " chats de Schrödinger " optiques de taille arbitraire et d'ouvrir la voie vers de multiples applications en information quantique. Nous avons également montré que la soustraction conditionnelle de photons permettait d'augmenter l'intrication d'états gaussiens. Avec cette approche, nous avons intriqué deux impulsions séparées et indépendantes, en utilisant un canal quantique de fortes pertes. On peut ainsi préparer, entre deux sites éloignés, des états fortement intriqués à fonction de Wigner négative, élément essentiel pour la distillation d'intrication et les communications quantiques à grande distance.

In this thesis, we develop new methods to generate and analyze non-classical states of the light for quantum information processing. We show that the tools of discrete variables, where light is described in terms of photons, can be combined with a continuous approach, where one considers the quadratures of the electromagnetic field, to efficiently create, transform and analyze complex quantum states. Using ultrashort light pulses, we prepared optical "Schrödinger cats", defined as quantum superpositions of coherent states. In this case the Wigner function, describing the quantum statistics of the electromagnetic field, differs from a classical probability distribution and takes negative values. Time-resolved homodyne tomography allowed us to realize the first experimental observation of this negativity for small free-propagating "Schrödinger kittens". Furthermore, we developed and experimentally demonstrated a protocol to prepare arbitrarily large "Schrödinger cat" states, opening a way towards numerous quantum information processing protocols. We have shown experimentally that conditional photon subtraction allows one to increase the entanglement of gaussian states. We used this method to entangle two initially independent distant light pulses, using a low-transmission quantum channel. This approach allows one to prepare strongly entangled states with negative Wigner functions between distant sites, as required for entanglement distillation and long-distance quantum communications.; Cette thèse porte sur la manipulation d'états non-classiques de la lumière, et leurs applications à l'information quantique. Nous montrons que les outils propres à une description discrète, où la lumière est considérée comme un ensemble de photons, peuvent être efficacement combinés avec une approche continue, où l'on s'intéresse aux quadratures de l'onde électromagnétique, pour créer, transformer et analyser des états quantiques complexes. Nous avons ainsi préparé des impulsions lumineuses ultrabrèves dans des états "chat de Schrödinger" (superpositions quantiques d'états cohérents). Le champ électromagnétique de l'onde lumineuse n'est alors plus décrit par une distribution statistique classique, mais par une fonction de Wigner prenant des valeurs négatives. Grâce à une reconstruction par tomographie homodyne, nous avons réalisé la première observation expérimentale de cette négativité pour de petits " chatons de Schrödinger " en propagation libre. Nous avons ensuite développé et démontré expérimentalement un protocole permettant de préparer des " chats de Schrödinger " optiques de taille arbitraire et d'ouvrir la voie vers de multiples applications en information quantique. Nous avons également montré que la soustraction conditionnelle de photons permettait d'augmenter l'intrication d'états gaussiens. Avec cette approche, nous avons intriqué deux impulsions séparées et indépendantes, en utilisant un canal quantique de fortes pertes. On peut ainsi préparer, entre deux sites éloignés, des états fortement intriqués à fonction de Wigner négative, élément essentiel pour la distillation d'intrication et les communications quantiques à grande distance.

In this thesis we have studied different aspects of the novel field of quantum information with continuous variables. The higher efficiency and bandwidth of homodyne detection combined with the easiness of generation and manipulation of Gaussian states makes continuous-variable quantum information a promising and flourishing field of research. This dissertation is divided in two parts. The first part explores two applications of the “photon subtraction” operation; Firstly, a technique to generate highly non-Gaussian single-mode states of light; Secondly, an experimental setup capable of realizing a loophole-free Bell test. The second part of this dissertation develops a detailed analysis of an important family of continuous-variable quantum key distribution protocols, namely those based on Gaussian modulation of Gaussian states./Dans cette thèse on a étudié différents aspects de l'information quantique à variables continues. Les meilleures efficacité et bande passante de la détection homodyne combinées à la simplicité de génération et de manipulation d'états gaussiens rend l'information quantique à variables continues un domaine de recherche très prometteur, qui est actuellement en plein essor. La dissertation est divisée en deux parties. La première explore deux applications de l'opération “soustraction de photon”; en premier lieu on présente une nouvelle technique capable de générer des états mono-modaux de la lumière hautement non-gaussiens; deuxiemement on présente un schéma expérimental capable de réaliser un test de Bell sans faille logique. La deuxième partie de cette dissertation développe une étude détaillée d'une famille très importante de protocoles de distribution quantique de clé à variables continues, ceux basés sur la modulation gaussienne d'états gaussiens., Doctorat en Sciences de l'ingénieur, info:eu-repo/semantics/nonPublished

La mécanique quantique est sans aucun doute la théorie la mieux vérifiée qui n’a jamais existée. En se retournant vers le passé, nous constatons qu’un siècle de théorie quantique a non seulement changé la perception que nous avons de l’univers dans lequel nous vivons mais aussi est responsable de plusieurs concepts technologiques qui ont le potentiel de révolutionner notre monde. La présente dissertation a pour but de mettre en avance ces potentiels, tant dans le domaine théorique qu’expérimental. Plus précisément, dans un premier temps, nous étudierons des protocoles de communication quantique et démontrerons que ces protocoles offrent des avantages de sécurité qui n’ont pas d’égaux en communication classique. Dans un deuxième temps nous étudierons trois problèmes spécifiques en clonage quantique ou chaque solutionapportée pourrait, à sa façon, être exploitée dans un problème de communication quantique.Nous débuterons par décrire de façon théorique le premier protocole de communication quantique qui a pour but la distribution d’une clé secrète entre deux parties éloignées. Ce chapitre nous permettra d’introduire plusieurs concepts et outils théoriques qui seront nécessaires dans les chapitres successifs. Le chapitre suivant servira aussi d’introduction, mais cette fois-ci penché plutôt vers le côté expériemental. Nous présenterons une élégante technique qui nous permettra d’implémenter des protocoles de communication quantique de façon simple. Nous décrirons ensuite des expériences originales de communication quantique basées sur cette technique. Plus précisément, nous introduirons le concept de filtration d’erreur et utiliserons cette technique afin d’implémenter une distribution de clé quantique bruyante qui ne pourrait pas être sécurisé sans cette technique. Nous démontrerons ensuite des expériences implémentant le tirage au sort quantique et d’identification quantique.Dans un deuxième temps nous étudierons des problèmes de clonage quantique basé sur le formalisme introduit dans le chapitre d’introduction. Puisqu’il ne sera pas toujours possible de prouver l’optimalité de nos solutions, nous introduirons une technique numérique qui nouspermettra de mettre en valeur nos résultats., Doctorat en sciences, Spécialisation physique, info:eu-repo/semantics/nonPublished

We study the generation, storage andmanipulation of optical and atomic non classical states using theinteraction between cold atoms and optical fields in cavity.After experimentally generating squeezed and entangled light stateswhen the atoms behave as a Kerr medium, we theoretically study thepossibility to produce such states in three-level systems, as wellas to reduce the atomic quantum fluctuations below the standardquantum limit.We then present several schemes to transfer and store non classicalstates into an atomic ensemble collective spin in order to realize acold atom quantum memory.As applications to quantum information, we study the entanglementand teleportation of atomic ensembles, the realization of long-livedquantum memories with 3He nuclear spins and the entanglement ofmechanical oscillators., Nous étudions la génération, le stockage et lamanipulation d'états non classiques de la lumière et des atomesgrâce à l'interaction entre un nuage d'atomes froids et de champsoptiques en cavité.Après avoir généré expérimentalement des états comprimés etintriqués du champ lorsque les atomes se comportent comme un milieuKerr, nous étudions théoriquement la possibilité de générer de telsétats dans des systèmes à trois niveaux, ainsi que la réduction desfluctuations quantiques atomiques sous le bruit quantique standard.Nous présentons ensuite plusieurs schémas pour transférer et stockerles fluctuations d'états non classiques du champ au spin collectifd'un ensemble atomique afin de réaliser une mémoire quantique àatomes froids.Comme applications pour l'information quantique nous étudionsl'intrication et la téléportation d'ensemble atomique, laréalisation de mémoires quantiques de longue durée de vie avec desspins nucléaires d'3He et l'intrication d'oscillateursmécaniques.

Cavity quantum electrodynamic studies an atom in interaction with a mode of the field. In resonance with a coherent mesoscopic field (quantum Rabi oscillation), the atom modifies deeply the field. It becomes entangled with two states with the same amplitude, but with different phases, creating a quantum mesoscopic superposition and implying collapse and revival of Rabi oscillation. We present an experimental investigation of the intrication using circular Rydberg atoms and a superconducting micro-wave cavity. To know the field, we have developed a measure of the Q-function, applied to different states: one photon Fock state and coherent states. We have measured the distance between the two components created by Rabi oscillation. Unlike revival of Rabi oscillation, this measurement does not prove anything about coherence. We thus induced revival by a transformation of the state of the atom, similar to time reversal transformation, and obtained a proof of the creation of mesoscopic quantum superposition., L'électrodynamique en cavité étudie un atome interagissant avec un mode du champ. A résonance avec un champ cohérent mésoscopique (oscillation de Rabi quantique), l'atome modifie profondément le champ. Il s'intrique avec deux états de même amplitude, de phases différentes, créant une superposition quantique mésoscopique et donnant lieu aux effondrements et résurgences des oscillations de Rabi. Nous présentons une étude expérimentale de cette intrication avec un atome de Rydberg circulaire et une cavité micro-onde supraconductrice. Pour sonder le champ, nous avons développé une mesure de la fonction ‘Q', appliquée à différents états : état à un photon, état cohérent. Nous avons ainsi mesuré la distance entre les composantes de phase produites par l'oscillation de Rabi. Cette mesure, au contraire de l'observation des résurgences, ne prouve pas la cohérence de la superposition. Nous avons donc induit ces résurgences par une transformation de l'état atomique, se ramenant à un renversement du temps, et obtenu ainsi une preuve de la création de superpositions quantiques mésoscopiques.

Co-directeur de thèse: Bertrand Georgeot (LPT, Toulouse); Quantum information is a new domain of physics, which studies the applications of quantum systems to the computation and to the information transmission. The present thesis is devoted to the study of certain theoretical aspects of the quantum information. The quantum computers use the lows of quantum mechanics to perform the calculations much more efficiently than all currently existing computers can. The practically realizable quantum computers will be influenced by all kinds of perturbations. Among these sources of perturbations the residual static (time independent) interactions inside the computer are known to be the most dangerous because they can add coherently, while other types of perturbations have the form of the random noise with a zero mean. We study, in the case of two very different quantum computations, the efficiency of the quantum computers in the presence of the static imperfections. One of the fundamental reasons of the extraordinary efficiency of the quantum computers and of the existence of many other applications of the quantum information is the effect of quantum entanglement. The entanglement consists in the impossibility to consider a generic pure state of a quantum system as a direct product of the pure states of its subsystems. In the present thesis we study certain important properties of a widely used quantitative measure of entanglement. We consider also the average informational entropy of quantum states, find an explicit expression for this quantity and study some its most important properties.; L'information quantique est un nouveau domaine de la physique, qui consiste à employer les systèmes quantiques dans le calcul et la transmission de l'information. Cette thèse est consacrée à l'étude de certains aspects théoriques de l'information quantique. Les ordinateurs quantiques utilisent les lois de la mécanique quantique pour exécuter des calculs d'une manière bien plus efficace que les ordinateurs existants. Les ordinateurs quantiques envisageables dans la pratique seraient influencés par des perturbations diverses. Parmi ces sources de perturbations, les interactions résiduelles statiques (indépendantes du temps) à l'intérieur de l'ordinateur sont connues pour être les plus dangereuses dans le sens où elles peuvent s'ajouter de façon cohérente, tandis que les autres perturbations ont la forme d'un bruit aléatoire avec une moyenne égale à zéro. Nous étudions, dans les cas de deux calculs quantiques très différents, l'efficacité des ordinateurs quantiques en présence d'imperfections statiques. Nous trouvons le domaine des paramètres dans lequel l'ordinateur quantique est robuste en présence des imperfections. Une des raisons fondamentales de l'efficacité extraordinaire de l'ordinateur quantique et de l'existence d'autres applications de l'information quantique est l'effet de l'intrication quantique. L'intrication consiste dans l'impossibilité de considérer un état pur générique d'un système quantique composé comme le simple produit des états purs de ses sous-systèmes. Dans cette thèse nous étudions certaines propriétés importantes d'une certaine mesure quantitative d'intrication largement utilisée. Nous considérons également l'entropie informationnelle moyenne des états quantiques, puis nous trouvons une expression explicite pour cette quantité et étudions ses propriétés les plus importantes.