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Understanding the interactions between light and matter is essential to develop new nanoscale opto-electronic devices. These interactions are often governed by exciton physics that is still not well understood at the scale of these quasi-particles. High spatial resolution measurements of the light absorption and emission is therefore crucial for understanding the exciton physics at the nanoscale, which is particularly challenging due to the optical diffraction fundamental limit. Many purely optical techniques have been developed in the past decades to overcome this limit, and are called super-resolution microscopy (SRM). They allow for the sub-diffraction optical measurements of various specimens, including nano-objects. There are two main categories of SRM: the near-field and the far-field techniques. The near-field techniques often rely on the proximity of a tip on the sample, which highly modifies its dielectric environment, and the far-field techniques are commonly based on specific dyes or light-emitting centers, which may prevent the study of new materials. In this thesis, I used a different far-field approach that enables resolutions far below the diffraction limit and non-selective excitation of samples: cathodoluminescence (CL) with fast electrons in a scanning transmission electron microscope (STEM). I mainly studied two sorts of nano-objects: nitrogen-vacancy (NV) color centers in nanodiamonds, excited both by the fast electron beam and various lasers, to understand the defects photophysics. The other objects studied were transition metal dichalcogenides (TMDs) monolayers encapsulated in h-BN, using combined CL (emission), electron energy-loss spectroscopy (EELS, absorption) and μ-diffraction (strain mapping). The combination of these techniques in the electron microscope enabled the nanoscale characterization of exciton emission in TMD monolayers (WS₂) encapsulated in hexagonal boron nitride (h-BN). The low screening in these semiconducting monolayers allows for several types of excitons to be stable at room temperature, including charged-excitons, called trions (negative trion, X⁻, and positive trion, X⁺). The CL emission variations of the excitons and trions was studied using nanoscale chemical environment characterization in core-loss EELS (in the hundreds of eV range), and strain mapping with µ-diffraction. Moreover, the combination of CL emission and absorption in low-loss EELS (here, in the few eV range) of the same quasiparticle, here the A exciton, at the nanoscale, gives information about the origin of their variations. The study of NV centers photophysics was performed using two techniques, the CL (light emission with electron excitation) and the photoluminescence (PL, light emission with photon excitation). The laser excitation was implemented to the STEM microscope in free space, without optical fibers, to perform PL and CL in the same setup. Indeed, some specimen are fragile and get damaged upon electron irradiation, or do not emit light in CL. For these reasons, the possibility of performing PL experiments inside the electron microscope, to correlate luminescence and structure, is attractive. The illumination by laser beams led to sample heating which can be used for in-situ cleaning of sample. The heating of the NV centers has further been investigated using temperature-controlled CL experiments, with sample heating stages in the STEM microscope., La compréhension de l’interaction lumière-matière est essentielle pour développer de nouveaux composants opto-électroniques. Ce type d’interaction est souvent gouverné par la physique des excitons, qui n’est pas entièrement comprise à l’échelle de ces quasi-particules. De ce fait, des mesures à haute résolution spatiale de la lumière absorbée et émise est cruciale pour la compréhension de la physique des excitons à l’échelle nanométrique, ce qui est un challenge particulier du fait de la limite fondamentale de la diffraction en optique. Des techniques purement optiques ont été développées ces dernières décennies pour surpasser cette limite, et sont appelées microscopie à super-résolution (SRM). Elles permettent la mesure optique de différents échantillons, en particulier de nano-objets, en dessous de la limite de la diffraction. Il y a deux catégories de SRM : les techniques de champ proche et les techniques de champ lointain. Les techniques de champ proche comprennent souvent une pointe située à proximité de l’échantillon, ce qui modifie grandement l’environnement diélectrique de celui-ci, et les techniques de champ lointain sont généralement basées sur des teintures ou des centres colorés particuliers, ce qui peut limiter l’utilisation de celles-ci pour l’étude de nouveaux matériaux. Durant ma thèse, j’ai utilisé une approche différente de mesure optique en champ lointain, qui permet d’accéder à des résolutions spatiales bien en dessous de la limite de la diffraction. Cette technique, la cathodoluminescence (CL) est non-sélective, et est mesurée avec des électrons rapides dans un microscope électronique à balayage en transmission (STEM). J’ai principalement étudié deux sortes de nano-objets: les centres azote-lacune (NV) dans des nanodiamants, que j’ai illuminé avec des lasers et des faisceaux électroniques, et des monocouches de métaux de transition dichalcogénures (TMD) encapsulées dans du nitrure de bore hexagonal (h-BN). J’ai étudié les monocouches en combinant la cathodoluminescence (émission), la spectroscopie de perte d’énergie des électrons (EELS, absorption) et la µ-diffraction (cartographie de déformation). La combinaison de ces techniques dans un microscope électronique permet de caractériser les excitons des TMD encapsulés (ici WS₂) à l’échelle nanométrique. Le faible écrantage des charges dans la monocouche semiconductrice permet à différents types d’excitons d’être stables à température ambiante, en particulier, les excitons chargés, appelés trions (négatif, X⁻, et positif, X⁺) sont visibles en émission. Les variations de la CL des excitons et des trions ont été étudiées à l’aide de la cartographie d’éléments chimiques en core-loss EELS (à l’échelle de la centaine d’eV), et les cartes de déformations avec la µ-diffraction, à l’échelle nanométrique. De plus, la combinaison entre l’émission en CL et l’absorption à petite échelle d’énergie en EELS de la même quasi-particule (ici l’exciton A du TMD) à l’échelle nanométrique, donne des informations sur l’origine de ses variations. L’étude de la photophyique des centres NV a été faite avec deux techniques : la CL (émission à partir d’excitation par des électrons) et la photoluminescence (PL, émission à partir d’excitation par des photons). L’excitation laser a été ajoutée au STEM de façon à pouvoir effectuer la CL et la PL dans la même expérience. En effet, certains échantillons sont fragiles, ou n’émettent pas de CL. De ce fait, la possibilité de faire la PL dans le STEM, pour corréler la mesure de structure et celle de la luminescence est attractive. L’illumination par des faisceaux lasers chauffe l’échantillon localement, ce qui peut être utilisé pour nettoyer celui-ci in-situ. L’échauffement de l’échantillon a été étudié plus en détails par des mesures de CL en température, avec des porte-échantillon chauffant dans le STEM.

We consider the robust inverse geometric optimization of arbitrary population transfers and single-qubit gates in a two-level system.Robustness with respect to pulse inhomogeneities is demonstrated.We show that for time or energy optimization, the pulse amplitude is constant, and we provide the analytic form of the detuning as Jacobi elliptic cosine.We deal with the task of robust complete population transfer on a 3-level quantum system in lambda configuration.First, we use the Lewis-Riesenfeld method to derive a family of solutions leading to an exact transfer.Among this family, we identify a tracking solution with a single parameter to control simultaneously the fidelity of the transfer, the population of the excited state, and robustness.The ultrahigh-fidelity robustness of the shaped pulses is found superior to that of Gaussian and adiabatically-optimized pulses for moderate pulse areas.Second, we apply robust inverse optimization now to generate a stimulated Raman exact passage (STIREP)considering the loss of the upper state as a characterization parameter.Control fields temporal shapes, robust against pulse inhomogeneities, that are optimal with respect to pulse area, energy, and duration, are found to form a simple sequence with a combination of intuitively (near the beginning and the end) and counter-intuitively ordered pulse pairs.Alternative robust optimal solutions featuring lower losses, larger pulse areas, and fully counter-intuitive pulse sequences are derived., Nous considérons l'optimisation géométrique inverse robuste de transferts de population arbitraires et de portes à un seul qubit dans un système à deux niveaux.La robustesse vis-à-vis des inhomogénéités d'impulsion est démontrée.Nous montrons que pour l'optimisation du temps ou de l'énergie, l'amplitude de l'impulsion est constante, et nous fournissons la forme analytique du désaccord en fréquence comme cosinus elliptique de Jacobi.Nous traitons la tâche de transfert complet et robuste de population sur un système quantique à 3 niveaux en configuration lambda.Tout d'abord, nous utilisons la méthode de Lewis-Riesenfeld pour dériver une famille de solutions conduisant à un transfert exact.Parmi cette famille, nous identifions une solution de suivi avec un seul paramètre pour contrôler simultanément la fidélité du transfert, la population de l'état excité, et la robustesse.La robustesse de l'ultra-haute fidélité des impulsions formées s'avère supérieure à celle des impulsions gaussiennes et des impulsions optimisées adiabatiquement pour des aires d'impulsion modérées.Deuxièmement, nous appliquons une optimisation inverse robuste pour générer un passage exact Raman stimulé (STIREP) en considérant la perte de l'état supérieur comme un paramètre de caractérisation.Les formes temporelles des champs de contrôle, robustes vis-à-vis des inhomogénéités d'impulsion, qui sont optimales par rapport à l'aire d'impulsion, l'énergie et la durée, forment une séquence simple avec une combinaison de paires d'impulsions intuitive (près du début et de la fin) et contre-intuitive (au centre).D'autres solutions optimales robustes présentant des pertes plus faibles, des aires d'impulsion plus grandes et des séquences d'impulsion totalement contre-intuitives sont dérivées.

We present the generation of multimode continuous-variable entangled states featuring spatio-spectral correlations at a repetition rate of 156 MHz via a single-pass and non-collinear spontaneous parametric down conversion (SPDC) process in a bulk BBO crystal pumped by an optical frequency comb. The states are building blocks of highly entangled states called dual-rail cluster states and are useful for measurement-based quantum computation. It is a protocol for quantum information based on the successive measurement of the modes of a cluster state. We characterize the states generated in our experiment with a mode-selective homodyne detection where we shape the spectrum and spatial profile of a reference beam to unveil the multimode structure of the parametric light. This way, we measured squeezing in several spectral modes and and revealed non-classical correlations between spatio-spectral modes. Because of the configuration of the parametric process, the states generated are highly multimode both spatially and spectrally and they display a low level of squeezing par mode, i.e. just above the resolution of our homodyne detector. As squeezing is an important resource for measurement-based quantum computation, we decided to develop a new SPDC setup based on wavguides of periodically-poled KTP to replace the bulk BBO crystal. Thanks to the increased nonlinearity, light confinement inside the waveguide and the use of quasi-phase matching, the squeezing per mode of the generated states should be increased. In the meantime, we developed a wideband homodyne detector operating with pulsed light in order to perform pulse-by-pulse homodyne measurements., Nous présentons la génération d'états intriqués en variables continues multimodes présentant des corrélations spatio-spectrales non classiques. Ces états sont produits à un taux de 156 MHz par génération paramétrique spontanée (SPDC) en simple-passage dans un cristal de bêta-barium borate (BBO) pompé par un peigne de fréquences optiques et suivant une configuration non-colinéaire. Les états produits sont les briques élémentaires d'états quantiques hautement intriqués appelés états cluster en rail, essentiels à la mise en place de protocole de calcul quantique basé sur la mesure successive des modes d'un cluster (MBQC). Nous caractérisons les états par avec une détection homodyne mode-sélective pour mettre en évidence la structure multimode de la lumière paramétrique. En raison de la configuration de l'expérience, les états générés sont hautement multimodes spatialement et spectralement et présentent un faible niveau de squeezing par mode, i.e. juste au dessus de la résolution de notre détecteur. Comme le squeezing est une ressource importante pour la MBQC, nous avons développé un nouveau montage de SPDC avec des guides d'onde en titanyl phosphate de potassium de nonlinéarité périodiquement inversée (PPKTP) pour remplacer le cristal de BBO. Grâce à la nonlinéarité plus élevée du KTP, le confinement de la lumière dans le guide et l'emploi de la technique de quasi-phase matching, le niveau de squeezing par mode devrait être augmenté. Dans le même temps, nous avons travaillé à développer un détecteur homodyne de grande bande passante fonctionnant avec de la lumière pulsée, afin de pouvoir effectuer des mesures homodynes impulsion par impulsion.

The work carried out during this thesis is focused on the design and characterization of photon triplet generators by nonlinear optical processes. These triplets form a new state of light where the three photons can be entangled and lead to efficient quantum information protocols. The pioneering work of the team were focused on a birefringent phase-matching triplet generator based on a bulk crystal in the bi-stimulated regime. The current objective is to move towards the spontaneous regime. Two new technologies were thus considered: on the one hand, single-crystal ridge waveguides for birefringent phase-matching, and on the other hand, quasi-periodically poled crystals for a cascade of 2 quasi-phase matched processes. The complete nonlinear optical characterization of such devices has been performed, Le travail réalisé au cours de cette thèse est centré sur la conception et la caractérisation de générateurs de triplets de photons par processus optiques non linéaires. Ces triplets forment un nouvel état de la lumière où les trois photons peuvent être intriqués et conduire à des protocoles d'information quantique efficaces. Les travaux pionniers de l'équipe ont porté sur un générateur de triplets en accord de phase par biréfringence basé sur un cristal massif en régime bi-stimulé. L’objectif aujourd'hui est de tendre vers le régime spontané. Deux nouvelles technologies ont alors été considérées : d'une part les guides d’onde monocristallins en accord de phase et taillés en arête, et d'autre part les cristaux à domaines ferroélectriques inversés quasi-périodiquement pour une cascade de processus en quasi-accord de phase. La caractérisation optique non linéaire complète de tels dispositifs a été réalisée

Effets cohérents optiques et non linéaires dans les solides et nouvelle plateforme pour l'optique quantique

In this thesis, we study networks of entangled quantum optical systems at different degrees of complexity, with a special regard to their application to quantum communication scenarios. In quantum communication, we want to allow two or more distant parties to exploit the properties of quantum systems to communicate in a certain way that would be unattainable with classical technology. The archetype of quantum communication is Quantum Key Distribution (QKD), that allows two agents to share a secret random key to perform secure communications, while preventing a third malicious agent from gaining knowledge about their key. In this manuscript, however, we will explore quantum communication scenarios that go beyond standard QKD in order to test the many possibilities offered by interconnected networks of quantum devices, also known as quantum internet. Specifically, we present three different types of quantum networks, that correspond to three levels of complexity of the quantum internet. In each of these levels, we describe the communication scenario, the physical requirements necessary to build the specific architecture and a novel quantum protocol that cannot be reproduced without quantum resources. In this work, we paid particular attention to the "practicality" of the protocols, namely the fact that it should be possible to implement them in realistic conditions with current technology, at least as a proof of principle. The first concerns an interactive proof quantum protocol showing experimental evidence of computational quantum advantage in the interactive setting for the first time. In this scenario, we have a computationally unbounded quantum prover who wants to convince an honest verifier of the existence of a certain solution to a complex mathematical problem, by sending part of the proof in the form of quantum states. Our quantum scheme lets the verifier verify the prover's assertion without actually receiving the whole solution. We prove that if the agents were not allowed to use quantum resources, the verification protocol would require an exponential time in the size of the solution, leading to a quantum advantage in computational time that we could demonstrate in our laboratory. The second copes with an electronic-voting protocol that exploits an untrusted multipartite entangled quantum source to carry on an election without relying on election authorities, whose result is publicly verifiable without compromising the robustness of the scheme and that can be readily implemented with state-of-the-art technology for a small number of voters. Unlike previous results, our scheme does not require simultaneous broadcasting and works also in noisy scenarios, where the security is bounded by the fidelity of the quantum state being used. Last, we simulate many modes squeezed states as continuous variables Gaussian quantum networks with complex topologies, characterizing their correlations and estimating the scaling of their cost while the networks grow using a squeezing resource theory. We prove a result that allows us to enhance the entanglement between two nodes in the network by measuring the multiple paths linking them and we employ this effect to devise an entanglement routing protocol, whose performance is particularly effective on large complex networks., Dans cette thèse, nous étudions les réseaux des états optiques quantiques intriqués avec différents degrés de complexité, avec une attention particulière portée à leur application dans des scénarios de communication quantique. Le but de la communication quantique est de permettre à deux ou plusieurs parties de communiquer d'une façon qui serait impossible avec de la technologie classique. L'archétype de ce domaine est la distribution de clé quantique ou quantum key distribution (QKD), qui permet à deux agents de partager une clé aléatoire secrète pour effectuer des communications sécurisées, en empêchant, au même temps, qu'un troisième agent malveillant puisse obtenir connaissance de leur clé. Dans ce manuscrit, cependant, nous explorons des scénarios de communication quantique qui vont au-delà de la QKD standard afin de tester les nombreuses possibilités offertes par les réseaux de dispositifs quantiques interconnectés, aussi appelés internet quantique. Spécifiquement, nous présentons trois types de réseaux quantiques, qui correspondent à trois niveaux de complexité d'internet quantique. Dans chaque niveau, nous décrivons le scénario de communication, les exigences physiques nécessaires pour construire l'architecture spécifique et un nouveau protocole qui ne peut pas être reproduit sans des ressources quantiques. Dans cette document, nous veillons particulièrement à la "praticité" des protocoles, notamment le fait que leur implémentation doit être possible dans des conditions réalistes avec technologie existante, au moins comme preuve du principe. Le premier concerne un protocole quantique à preuves interactives qui montre pour la première fois une preuve expérimentale d'un avantage quantique dans un cadre interactif. Dans ce scénario, il y a un prouveur avec de la puissance calculatoire illimitée qui veut convaincre un vérifieur honnête de l'existence d'une certaine solution d'un problème mathématique complexe, en lui envoyant une partie de la preuve sous forme d'états quantiques. Notre construction permet au vérifieur de vérifier l'assertion du prouveur sans recevoir la solution entière. Nous prouvons que sans ressources quantiques, le protocole de vérification exigerait un temps exponentiel en la taille de la solution, menant à un avantage quantique en terme de temps de calcul, avantage que nous avons démontré dans notre laboratoire. Le deuxième porte sur un protocole de vote électronique qui exploite un état quantique multipartite intriqué non fiable pour réaliser une élection sans s'appuyer sur des autorités électorales, dont le résultat peut être vérifié publiquement sans compromettre la robustesse de la construction et qui peut être implémenté aisément avec les technologies de pointe existantes pour un petit nombre de votant. À l'invers des résultats précédents, notre protocole n'exige pas une émission simultanée et marche aussi dans des scénarios bruyants, où la sécurité est limitée par la fidélité de l'état quantique utilisé. Enfin, nous simulons des états comprimés de la lumière de nombreux modes comme des réseaux quantique Gaussien à variables continues avec des topologies complexes, nous caractérisons leur corrélations et nous estimons l'intensification de leur coût pendant que les réseaux grandissent avec une théorie de ressource de compression. Nous prouvons un résultat qui permet de renforcer l'intrication entre deux nœuds du réseau si on mesure les chemins multiples qui les connectent et nous utilisons cet effet pour concevoir un protocole de routage d'intrication dont les performance sont particulièrement efficace dans des réseaux complexes grands.

The nitrogen-vacancy center (NV) is a diamond spin defect consisting of a nitrogen atom and a carbon vacancy in two adjacent positions of the diamond lattice. Its remarkable spin-dependent optical properties make it a promising platform for quantum sensing and quantum information applications.In the present manuscript, two applications involving an ensemble of NV centers in diamond are investigated: a radio frequency (RF) spectrum analyser and a widefield imaging technique of the RF radiation emitted in near field by microwave devices.In the first chapter, the NV centers in diamond, their properties and the motivations behind the two NV centers based applications proposed in this manuscript are presented. The available solutions and the state-of-the-art techniques for both RF spectral analysis and near field imaging of RF radiation are reviewed and the potential of alternative solutions using NV centres are discussed.In the second chapter, a set-up for the widefield optical detection of the NV centers spin resonances is presented and used to investigate the main properties of this diamond defect. The NV center electron spin resonances are detected over a large frequency range (more than 10 GHz) and different phenomena are investigated: the behaviour of an ensemble of NV centers under a static magnetic field, the polarization properties of the NV center photoluminescence (PL) and how they can be exploited to recognise the NV centers orientations, the NV’s nitrogen nuclear spin polarization over a large frequency range (more than 2 GHz).The third chapter is devoted to the implementation of a real-time RF spectrum analyser based on an ensemble of NV centers. The main physical features of NV centers considered as MW detectors are investigated and an experimental architecture which allows a real time RF spectral analysis over a tuneable frequency range (10 MHz to 25 GHz), 4 GHz bandwidth, a MHz frequency resolution and a ms time resolution is demonstrated. The implementation of this device required an interesting analysis on the behaviour of an ensemble of NV centers under strong magnetic field gradient (tens of Tesla per meter) which is detailed in the chapter.The fourth and last chapter deals with the widefield imaging of RF field based on an ensemble of NV centers. Two techniques are proposed. The first is based on the RF power broadening of the NV center spin resonances in the continuous regime domain while the second is based on the widefield detection of NV centers Rabi oscillations in a pulsed regime. Both techniques allowed reconstructing the magnetic near field RF field emitted by a loop antenna. However, while the first technique requires a calibration to retrieve the amplitude of the RF field, the second allows a direct measurement of it. The widefield detection of the NV centers Rabi oscillations has thus been investigated both by means of experiments and simulations. Since the NV centers Rabi oscillations detected using our widefield experimental set-up showed an asymmetric shape, a model has been realized to figure out the NV centers behaviour during the pulse sequence employed to drive the Rabi oscillation. The results of the simulations, in agreement with the experimental results, enable to have a better insight of the NV center spin optical polarization and readout during the widefield detection of the Rabi oscillations., Le centre azote-lacune (NV) est un défaut de spin du diamant constitué d'un atome d'azote et d'une lacune de carbone dans deux positions adjacentes du réseau cristallin du diamant. Il possède de remarquables propriétés optiques dépendant du spin qui en font une piste prometteuse pour les applications d'information quantique ou comme capteur quantique.Dans le présent manuscrit, deux applications basées sur un ensemble de centres NV dans le diamant sont étudiées: un analyseur de spectre radiofréquence (RF) ainsi qu’une technique de microscopie à champ large pour l'imagerie en champ proche du rayonnement RF émis par des dispositifs RF.Le premier chapitre expose les propriétés des centres NV du diamant ainsi que les motivations des deux applications basées sur celles-ci. En particulier, les solutions disponibles et l'état de l'art des techniques pour l'analyse spectrale RF et l'imagerie en champ proche RF sont passées en revue et l'intérêt d'une solution alternative basée sur les centres NV est discuté.Dans le deuxième chapitre, un montage expérimental permettant la détection optique en champ large de la résonance de spin des centres NV est présenté et utilisé pour étudier les principales propriétés de ce défaut du diamant. Les résonances de spin électronique des centres NV sont étudiées sur une large bande de fréquences (plus de 10 GHz) et différents phénomènes sont étudiés : le comportement d'un ensemble de centres NV auquel on applique un champ magnétique statique, les propriétés de polarisation de la photoluminescence émise par les centres NV et comment elles peuvent être exploitées pour reconnaître les orientations des centres NV dans le diamant, la polarisation du spin nucléaire de l'azote des centres NV sur une large gamme de fréquences (plus de 2 GHz).Le troisième chapitre est consacré à la mise en œuvre d'un analyseur de spectre RF en temps réel basé sur un ensemble de centres NV. Les principales caractéristiques physiques d’un ensemble de centres NV considéré comme un détecteur radiofréquence sont étudiées. Une architecture expérimentale qui permet une analyse spectrale RF en temps réel sur une gamme de fréquence accordable (10 MHz – 25 GHz), une largeur de bande jusqu’à 4GHz, une résolution en fréquence jusqu’au MHz et une résolution temporelle jusqu’à la milliseconde est proposée. La mise en place de ce dispositif a nécessité une analyse sur le comportement d'un ensemble de centres NV sous fort gradient de champ magnétique (plusieurs dizaines de Tesla par mètre) qui est aussi détaillée dans le chapitre.Le quatrième et dernier chapitre traite de l'imagerie en champ large des champs RF basée sur un ensemble de centres NV. Deux techniques sont proposées. La première est basée sur l'élargissement en puissance RF de la résonance de spin des centres NV et la seconde utilise la détection en champ large des oscillations de Rabi des centres NV. Ces deux techniques ont permis de reconstruire le champ proche magnétique radiofréquence émis par une antenne boucle. La première technique nécessite une calibration pour retrouver l'amplitude du champ RF alors que la seconde permet sa mesure directe. La détection champ large des oscillations de Rabi des centres NV a donc été étudiée à la fois expérimentalement et par des simulations. En particulier, les oscillations de Rabi des centres NV détectées expérimentalement à l'aide d’un système d’imagerie en champ large ont une forme asymétrique. Afin de comprendre cette forme, le comportement du centre NV pendant la séquence d'impulsions utilisée pour piloter l'oscillation de Rabi a été modélisé. Les résultats des simulations, en accord avec les résultats expérimentaux, permettent finalement d'avoir une meilleure compréhension de la polarisation optique et de la lecture du spin du centre NV pendant la séquence.

This Habilitation manuscript describes the work done at JQI-NIST and LKB-ENS-Sorbonne University since 2010. After a brief introduction of the needed concepts for non-linear and quantum optics in optically dense atomic medium, I review several experiments about the Gradient Echo Memory protocol in warm atomic vapors and in cold atomic clouds, and especially the multi-mode properties of this memory. In the next chapter I describe two experiments of quantum optics in dense atomic medium : the possibility to image using quantum noise and the propagation of quantum mutual information in a fast-light medium. In chapter 4 I study two recents experiments about hydrodynamics of light in exciton-polariton systems and in warm atomic vapor. Finally I present the future project of my group at LKB. The main goal of this manuscript is to provide the tools to connect non-linear and quantum optics to quantum fluids of light. Because the physics of matter quantum fluids and fluids of light has long been the territory of condensed matter physicists, it is uncommon to find textbooks which draw the analogies with quantum optics. I have taken the reverse trajectory, being trained as a quantum optician and moving progressively to quantum gases and quantum fluids of light. Naturally, I try to use the concepts and resources developed by the quantum optics community to improve experiment about fluids of light, but I also reverse the approach and ask a very simple question: what does the concept of fluid of light bring to our understanding of non-linear and quantum optics ? It can be rephrased as an operational question: which new effects can we predict (and possibly observe) using the photon fluid formalism ?, Copyrighted material are not available inside this manuscript. You can find a full version on the author webpage www.quantumoptics.fr

In the context of the improvement of the Advanced Virgo gravitational wave detector, the quantum noise contribution to the detector noise has to be reduced in order to increase its sensitivity and consequently the observable volume of the Universe. One of the idea to go beyond the Standard Quantum Limit is to use frequency dependent squeezed states of light. The implementation of this technique is tested on the CALVA experiment at LAL/IJCLab in the framework of the Exsqueez ANR in collaboration with LKB, LMA/IP2I and LAPP. The aim of this thesis is the design of the experiment followed by the installation and characterization of the first optical systems used to produce and measure frequency independent squeezing., Dans le cadre de l'amélioration du détecteur d'ondes gravitationnelles Advanced Virgo, il est nécessaire de réduire la contribution du bruit quantique au bruit du détecteur afin d'augmenter la sensibilité et donc le volume d'Univers observable. Pour cela une des techniques envisagées afin de dépasser la Limite Quantique Standard est l'utilisation d'états comprimés de la lumière, dit états squeezés, dépendant de la fréquence. L'implémentation de cette technique est testée sur la plateforme expérimentale CALVA au LAL/IJCLab dans le cadre de l'ANR Exsqueez en collaboration avec le LKB, le LMA/IP2I et le LAPP. L'objet de cette thèse est la conception de l'expérience ainsi que l'installation et la caractérisation des premiers systèmes optiques utilisés pour générer et mesurer des états squeezés indépendants de la fréquence.

Harnessing the laws of quantum theory can drastically boost the security of modern communication networks, from public key encryption to electronic voting and online banking. In this thesis, we bridge the gap between theory and experiment regarding two quantum-cryptographic tasks: quantum money and quantum weak coin flipping. Quantum money exploits the no-cloning property of quantum physics to generate unforgeable tokens, banknotes, and credit cards. We provide the first proof-of-principle implementation of this task, using photonic systems at telecom wavelengths. We then develop a practical security proof for quantum credit card schemes, in which the bank can remotely verify a card even in the presence of a malicious payment terminal. We finally propose a setup for secure quantum storage of the credit card, using electromagnetically-induced transparency in a cloud of cold cesium atoms. Quantum weak coin flipping is a fundamental cryptographic primitive, which helps construct more complex tasks such as bit commitment and multiparty computation. It allows two distant parties to flip a coin when they both desire opposite outcomes. Using quantum entanglement then prevents any party from biasing the outcome of the flip beyond a certain probability. We propose the first implementation for quantum weak coin flipping, which requires a single photon and linear optics only. We provide the complete security analysis in the presence of noise and losses, and show that the protocol is implementable on the scale of a small city with current technology. We finally propose a linear-optical extension of the protocol to lower the coin bias., Les lois de la mécanique quantique présentent un fort potentiel d’amélioration pour la sécurité des réseaux de communication, du cryptage à clé publique au vote électronique, en passant par la banque en ligne. Cette thèse porte sur la sécurité pratique et l’implémentation de deux tâches cryptographiques quantiques : la monnaie quantique et le tirage à pile-ou-face faible. La monnaie quantique exploite le théorème de non-clonage quantique pour générer des jetons, billets ou cartes de crédit strictement infalsifiables. Nous réalisons la première démonstration expérimentale de cette fonctionnalité sur une plateforme photonique aux longueurs d’onde télécom. Nous développons ensuite une analyse de sécurité pratique pour les cartes de crédit quantique. La banque peut ainsi vérifier l’authenticité de la carte à distance, même en présence d’un terminal de paiement malhonnête. Enfin, nous proposons une expérience permettant le stockage sécurisé d’une carte de crédit quantique en utilisant la transparence électromagnétiquement induite au sein d’un nuage d’atomes refroidis. Le tirage à pile-ou-face faible est une primitive cryptographique fondamentale: elle permet en effet la construction de tâches plus complexes telles que la mise en gage de bit et le calcul multipartite sécurisé. Lors d’un tirage à pile ou face, deux entités distantes et méfiantes jettent une pièce. Grâce à l’intrication quantique, il est possible de limiter la probabilité que l’entité malhonnête biaise la pièce. Dans ce projet, nous proposons la première implémentation du pile-ou-face faible. Celle-ci requiert un photon unique et une plateforme d’optique linéaire. Nous présentons l’analyse de sécurité en présence d’erreurs et de pertes, et démontrons que le protocole est réalisable à l’échelle d’une ville. Enfin, nous proposons de réduire davantage la probabilité du biais du protocole.

The aim of this thesis is the introduction of new practical Quantum Random Number Generators and new mathematical techniques to certify the random nature of the numbers, based only on a partial characterisation of the devices. Random numbers have a lot of applications, going from mathematical algorithms and betting games to cryptographic protocols, where random keys are a basic premise for constructing protocols. Random Number Generators of the Quantum type have the advantage that they rely on truly random processes, which are guaranteed to be unpredictable by the laws of physics. This makes them in principle more safe than classical hardware generators and pseudo-random algorithms. In the first part of the thesis, we focus of the task of certifying randomness. We introduce a new framework for certifying generators based on quantum optics and that follow a Prepare-and-Measure setup consisting of a source and a measurement device, such as a laser and a single photon detector. Our framework is called semi-Device-Independent, because the device is left largely uncharacterised, as no assumption is made on the source and the measurement device, except for a single physical assumption on the mean photon number (or the energy) of the states prepared by the source. This approach is very secure and robust because any malfunctioning or imperfections in the generator, such additional classical noise, are automatically taken into account as long as the energy assumption is satisfied. We show that, under an energy constraint, there is a fundamental relation between the amount of correlation between the two devices and the amount of randomness produced during the measurement. We establish this by considering all possible underlying quantum models of the devices, that satisfy the mean photon number constraint. We demonstrate that certain strong correlations indeed cannot be reproduced by an underlying deterministic model and show how to compute the amount of randomness in these cases. We then prove the security of a random number generation protocol and demonstrate it in a proof-of-principle experiment. In the second part of the thesis, we study the Instrumental scenario, which is a Device-Independent framework based on causal constraints. We derive the existence of analogues to Bell-inequalities which bound the set of classical correlations and we show that they can be violated by quantum devices. At a more fundamental level, the Instrumental scenario is interesting because it is the simplest causal scenario admitting a separation between classical and quantum correlations., Doctorat en Sciences, info:eu-repo/semantics/nonPublished

Thermodynamics was developed in the 19th century to study steam engines using the cyclical transformations of a working substance to extract heat from thermal baths and convert it into work, possibly stored in a battery. This applied science eventually led to the development of fundamental concepts such as irreversibility. Quantum thermodynamics aims at revisiting these results when the working substances, baths and batteries become quantum systems. Its results are still mainly theoretical. This thesis therefore propose methods to measure work in situ, directly inside the battery, and demonstrate the potential of two platforms to pave the way to the experimental exploration of this fast-growing field.First, I studied hybrid optomechanical systems which consist of a qubit coupled to the electromagnetic field on the one hand, and to a mechanical resonator on the other hand. The qubit's transition frequency is modulated by the vibrations of the mechanical system that exerts in this way a force on the qubit. The mechanical degree of freedom exchanges work with the qubit and therefore behaves like a dispersive battery, i.e. whose natural frequency is very different from the one of the qubit's transition. Finally, the electromagnetic field plays the role of the bath. I showed that the fluctuations of the mechanical energy are equal to the fluctuations of work, which allows the direct measurement of entropy production. As a result, hybrid optomechanical systems are promising for experimentally testing fluctuation theorems in open quantum systems. In addition, I studied optomechanical energy conversion. I showed that a hybrid optomechanical system can be considered as an autonomous and reversible thermal machine allowing either to cool the mechanical resonator or to build a coherent phonon state starting from thermal noise.Secondly, I showed that a two-stroke quantum engine extracting work from a single, non-thermal, bath can be made. The qubit is embedded in a one-dimensional waveguide and the battery is the waveguide mode of same frequency as the qubit's transition. Therefore, this is a resonant battery, unlike in the previous case. First, the qubit is coupled to the engineered bath, source of energy and coherence, that makes it relax in a experimentally controllable superposition of energy states. Secondly, the bath is disconnected and work is extracted by driving the qubit with a resonant coherent field. This kind of system, called one-dimensional atom, can be implemented in superconducting or semiconducting circuits. The coherence of the qubit's state improves the performances of this engine both in the regime of classical drive, where a large number of photons is injected in the battery, and in the quantum drive regime of low photon numbers.This thesis evidences the potential of hybrid optomechanical systems and one-dimensional atoms to explore experimentally on the one hand, irreversibility and fluctuation theorems, and on the other hand, the role of coherence in work extraction., La thermodynamique a été développée au XIXème siècle pour étudier les machines à vapeur exploitant les transformations cycliques d'un fluide calorifique pour extraire de la chaleur de bains thermiques et la convertir en travail, éventuellement stocké dans une batterie. Cette discipline appliquée a finalement permis d'élaborer des concepts fondamentaux tels que l'irréversibilité. La thermodynamique quantique vise à revisiter ces résultats lorsque les fluides calorifiques, bains et batteries deviennent des systèmes quantiques. Ses résultats sont encore essentiellement théoriques.Cette thèse propose donc des méthodes de mesure in situ du travail, directement dans la batterie, et démontre le potentiel de deux plateformes pour ouvrir la voie à l'exploration expérimentale de ce domaine en plein essor.J'ai tout d'abord étudié les systèmes hybrides optomécaniques qui se composent d'un qubit couplé au champ électromagnétique d'une part, et à un résonateur mécanique d'autre part. La fréquence de transition du qubit est modulée par les vibrations du système mécanique, qui exerce ainsi une force sur le système. Le degré de liberté mécanique échange du travail avec le qubit et se comportant donc comme une batterie dispersive, c'est-à-dire dont la fréquence propre est très différente de celle de la transition du qubit. Enfin, le champ électromagnétique joue le rôle du bain. J'ai d'abord montré que les fluctuations d'énergie mécanique de la batterie sont égales aux fluctuations du travail, ce qui permet de mesurer directement l'entropie produite. En conséquence, les systèmes hybrides optomécaniques sont prometteurs pour tester expérimentalement les théorèmes de fluctuations dans un système quantique ouvert. Par ailleurs, j'ai étudié la conversion d'énergie optomécanique. J'ai montré qu'un système hybride optomécanique peut être considéré comme une machine thermique autonome et réversible permettant aussi bien de refroidir le résonateur mécanique que de construire un état cohérent de phonons en partant du bruit thermique.Par ailleurs, j'ai montré qu'il est possible de réaliser un moteur quantique à deux temps extrayant du travail d'un bain unique, non thermique. Le qubit se trouve dans un guide d'ondes unidimensionnel et la batterie est le mode du guide de même fréquence que la transition du qubit. Il s'agit donc d'une batterie résonante, contrairement au cas précédent. Premièrement, le qubit est couplé au bain ingéniéré, source d'énergie et de cohérence, qui le fait relaxer dans une superposition expérimentalement contrôlable d'états d'énergie. Deuxièmement, le bain est déconnecté et du travail est extrait en couplant qubit à un champ cohérent résonant. Ce type de système, appelé atome unidimensionnel, peut être réalisé avec des circuits supraconducteurs ou semi-conducteurs. La cohérence de l'état du qubit améliore les performances de ce moteur à la fois dans le régime classique, où un grand nombre de photons est injecté dans la batterie, et dans le régime quantique des petits nombres de photons.Cette thèse met en évidence le potentiel des systèmes hybrides optomécaniques et des atomes unidimensionnels pour explorer expérimentalement d'une part, l'irréversibilité et les théorèmes de fluctuations dans les systèmes quantiques ouverts, et d'autre part, le rôle de la cohérence dans l'extraction de travail.

There are two traditionally-separated approaches to optical quantum information: the continuous- and discrete-variable strategies respectively linked to the wave-like and particle-like nature of light. This thesis work is focused on the novel hybrid approach aiming to join the capabilities of both strategies into single systems. Using hybrid methods, we report on the use of optical parametric oscillators and superconducting-nanowire single-photon detectors to generate highly non-classical non-Gaussian states such as high-purity single-photons, Schr\"odinger cat states and finally hybrid entanglement of light between continuous- and discrete-variable encoding. The potential of this resource is studied in a number of protocols. We first consider non-locality tests with hybrid entanglement such as Bell inequality violation and experimentally demonstrate the violation of Einstein-Podolsky-Rosen steering inequalities. We finally report on the progress made towards the implementation of a new setup for the demonstration of hybrid quantum teleportation between continuous and discrete-variable encodings. Our demonstrations prove the versatility of this hybrid resource and open the possibility of implementing scalable quantum networks linking systems of dissimilar nature., Cette thèse est centrée sur la réalisation de protocoles d'information quantique utilisant conjointement les approches à variables discrètes et à variables continues de l'information quantique optique. Nous détaillons tout d'abord les protocoles utilisés pour la génération d'états hautement non classiques tels que les photons uniques, les chats de Schrödinger optiques et enfin l'intrication hybride entre variables discrètes et continues. Nous évaluons le potentiel de cette ressource innovante en détaillant son utilisation dans un certain nombre de protocoles. Nous commençons par envisager la réalisation de tests de Bell utilisant l'intrication hybride et rapportons l'observation expérimentale d'une violation d'inégalité de Steering, pour la première fois dans un contexte hybride. Enfin, nous détaillons l'état d'avancement de l'installation d'une nouvelle expérience de téléportation quantique entre variables discrètes et variables continues. Nos résultats prouvent l'intérêt de suivre une approche hybride et ouvrent la possibilité de réaliser des réseaux d'information quantique hybrides liant des systèmes de différentes natures.

This thesis is devoted to the theoretical study of driven-dissipative many-body quantum systems with a particular focus on advanced computational methods. After reviewing several state-of-the-art numerical methods to determine the steady-state and dynamics of open quantum systems described by a Lindblad master equation for the density matrix, this thesis manuscript presents two original methods: (i) an optimal unraveling of stochastic quantum trajectories for disordered systems; (ii) a variational neural network method. The stochastic methods have been applied to investigate the driven-dissipative Bose-Hubbard lattice model that can for instance describe lattices of coupled nonlinear electromagnetic resonators such those obtained with semiconductor microcavities or superconducting quantum circuits. Our study has shown that a critical slowing down of the dynamics occurs for some parameters in dimensions higher than one. The phenomena is linked to a first-order dissipative phase transition and to lattice-level collective bistability. Furthermore, we reveal the role of disorder on the spatial correlation properties of these phenomena. In the last part of the thesis, we present the strong connection between fundamental concepts of machine learning and variational approaches in quantum physics. We present a novel computational method for open quantum systems based on neural network ans\"{a}tze that is compatible with a stochastic minimisation of a cost function through Monte Carlo sampling. As a first application, we have applied this method to the dissipative transverse quantum Ising model. Exciting perspectives and possible developments are also drawn in the concluding remarks., Cette thèse est consacrée à l'étude théorique des systèmes quantiques dissipatifs à plusieurs corps avec un accent particulier sur les méthodes de calcul avancées. Après une revue des plusieurs méthodes numériques de pointe pour déterminer l'état d'équilibre et la dynamique des systèmes quantiques ouverts décrits par une équation maitresse de Lindblad pour la matrice de densité, ce manuscrit présente deux méthodes originales: (i) un sampling optimal des trajectoires stochastiques quantiques pour les systèmes désordonnés; (ii) une méthode variationnel base sur les réseau neuronal. Les méthodes stochastiques ont été appliquées pour étudier le modèle de réseau de Bose-Hubbard dissipatif entraîné qui peut par exemple décrire des réseaux de résonateur électromagnétiques non linéaires couplés tels que ceux obtenus avec des microcavités à semi-conducteurs ou des circuits quantiques supraconducteurs. Notre étude a montré qu'un ralentissement critique de la dynamique se produit pour certains paramètres de dimensions $D>1$. Le phénomène est lié à une transition de phase dissipative du premier ordre et à une bistabilité collective au niveau du réseau. De plus, nous révélons le rôle du désordre sur les propriétés de corrélation spatiale de ces phénomènes. Dans la dernière partie de la thèse, nous présentons le lien étroit qui existe entre les concepts fondamentaux de l'apprentissage automatique et les approches variationelles en physique quantique. Nous présentons une nouvelle méthode de calcul pour les systèmes quantiques ouverts basée sur une méthode de réseau de neurones compatible avec une minimisation stochastique d'une fonction de coût par échantillonnage de Monte Carlo. Comme première application, nous avons appliqué cette méthode au modèle Ising quantique transverse dissipatif. Des perspectives intéressantes et des évolutions possibles sont également exposées dans les remarques finales.

The data traffic need for ultra-high definition videos as well as for the mobile data continues to grow. Within the last decade, optical frequency combs have revolutionized the telecommunications field and paved the way for groundbreaking data transmission demonstrations at previously unattainable data rates. Beside the telecommunications field, optical frequency combs brought benefits also for many other applications such as precision spectroscopy, chemical and bio sensing, optical clocks, and quantum optics. The efficiency of the four-wave mixing phenomenon from which the optical frequency comb arises critically depends on the propagation losses and consequently on the device roughness induced by the lithography and the etching processes. In addition, the bulk material absorption reduces the efficiency of the nonlinear phenomena. By using state-of-the-art complementary metal oxide semiconductor processes, the roughness can be reduced thanks to the maturity of the manufacturing, while the material bulk absorption can be reduced by thermal treatments. In addition, using a CMOS material enables a low-cost fabrication and the co-integration with electronic devices into the same chip. Silicon-nitride-on-insulator is an attractive CMOS-compatible platform for optical frequency comb generation in the telecommunication band because of the low two-photon absorption of silicon nitride when compared with crystalline silicon. However, the as deposited silicon nitride has a hydrogen related absorption in the telecommunication band. Although high-temperature annealing has been traditionally used to reduce the hydrogen content and successfully demonstrate silicon nitride-based frequency combs, this approach made the co-integration with silicon-based optoelectronics elusive, thus reducing dramatically its effective complementary metal oxide semiconductor compatibility. In this thesis, we report on the fabrication and test of annealing-free silicon nitride nonlinear photonic circuits. In particular, we have developed a process to fabricate low-loss, annealing-free and crack–free Si3N4 740-nm-thick films for Kerr-based nonlinear photonics, featuring a full process compatibility with front-end silicon photonics. Experimental evidence shows that micro-resonators using such annealing-free silicon nitride films are able to generate a frequency comb spanning 1300-2100 nm via optical parametrical oscillation based on four-wave mixing. In addition, we present the further optimized technological process related to annealed silicon nitride optical devices using high-confinement waveguides, allowing us to achieve record-low losses. This was enabled via a carefully tailored patterning etching process and an annealing treatment particularly efficient due to the already low hydrogen content in our as-deposited silicon nitride. Such improved Si3N4 platform allowed us to demonstrate on-chip integrated Kerr frequency comb sources using silicon nitride resonators that were butt-coupled to a III-V DFB laser used as a pump source. This proof of concept proves the validity of our approach for realizing fully packaged compact optical frequency combs., La montée exponentielle du trafic de données liée au développement de l’interconnexion entre objets et personnes sur la toile nécessite de nouvelles technologies. Au cours de la dernière décennie, les peignes de fréquences optiques ont révolutionné le secteur des télécommunications, ouvrant la voie à une transmission de données à un débit de données auparavant inaccessible. Mis à part le domaine des télécommunications, les peignes de fréquences optiques ont été avantageusement exploités dans d’autres domaines comme la détection optique, la détection chimique, les horloges optiques… L'efficacité du phénomène de mélange à quatre ondes, qui sous-tend la génération des peignes de fréquences, dépend de manière significative des pertes par propagation dans les guides d’ondes optiques et, par conséquent, de la rugosité de ces derniers. De plus, l'absorption intrinsèque du matériau réduit l'efficacité des phénomènes non linéaires tout en contribuant à l’atténuation du signal lumineux dans le milieu optique de propagation. Grâce à la maturité des procédés de fabrication dits CMOS, la rugosité peut être réduite en optimisant la gravure, tandis que l’absorption peut être réduite par des traitements thermiques. L'utilisation d'un matériau CMOS permet donc une fabrication à faible coût et la co-intégration avec d’autres dispositifs optoélectroniques sur la même puce. Le nitrure de silicium sur isolant est une plateforme prometteuse pour la génération de peignes de fréquences optiques grâce à la faible absorption à deux photons dans ce matériau par rapport au silicium cristallin. Cependant, le nitrure présente une absorption dans la bande des télécommunications relié à la présence des liens moléculaires N-H. Tandis que des recuits à haute température ont été utilisés pour réduire le contenu en hydrogène du film et démontrer avec succès la génération de peignes de fréquence, ces procédés rendent la co-intégration monolithique de ces dispositifs en nitrure de silicium avec une optoélectronique à base de silicium très difficile, réduisant ainsi considérablement sa compatibilité avec les autres matériaux CMOS. Dans cette thèse, nous décrivons la conception, la fabrication et les caractérisations de circuits photoniques non-linéaires en nitrure de silicium sans recuit. En particulier, nous avons mis au point un procédé de fabrication de films de Si3N4 d'une épaisseur de 740 nm, sans utilisation de recuit et avec une maitrise de la gestion des contraintes typiquement associées à ce type de matériau pour l’optique non linéaire. Cette approche offre une compatibilité de fabrication technologique avec la photonique sur silicium. Des preuves expérimentales montrent que les micro-résonateurs utilisant de tels films de nitrure de silicium sans recuit sont capables de générer un peigne de fréquence s'étendant sur 1300-2100 nm via une oscillation paramétrique optique basée sur du mélange à quatre ondes. En allant encore plus loin, nous présentons également les travaux d’optimisation technologique portant sur des microrésonateurs en nitrure de silicium recuits avec des guides d’onde à fort confinement modal, qui nous ont permis d’atteindre des pertes de propagation record. Ces résultats ont été rendus possible grâce à une optimisation fine des étapes de gravure des guides d’onde ainsi qu’à l'utilisation de traitements thermiques-chimiques efficaces. Cette nouvelle approche nous a permis de démontrer par ailleurs des sources de peignes de fréquences intégrées sur puce utilisant des résonateurs en nitrure de silicium couplés par aboutement à un laser III-V DFB utilisé comme une pompe. Cette preuve de concept prouve la validité de notre plateforme de circuits photoniques non-linéaires en Si3N4 pour la réalisation de peignes de fréquences optiques ultra-compacts à faible consommation.

The quest for highly-efficient, integrated single-photon sources in the telecommunications window is an increasing research topic towards the development of quantum technologies. In this doctoral project, a set of complementary integrated nanophotonic devices was proposed and experimentally demonstrated as a contribution towards the development of that sources. The devices were designed based on two fundamental concepts of electromagnetic optics, the reciprocity theorem and Babinet’s principle. The results show that the integrated structures allow an extreme confinement of light and therefore, an enhancement of the electric and magnetic fields. Reciprocally, the spontaneous emission of electric and magnetic emitters placed at the confined field is selectively enhanced into the mode field by electric and magnetic Purcell effects. The complementary integrated structures were fabricated with advanced electron beam lithography and experimentally characterized in the far field, with lifetime measurements, as well as in the near-field with the use of a near-field scanning optical microscope. These measurements correspond to the first step towards the experimental validation of the integrated single-photon sources based on quantum emitters. Future work involves the implementation of integrated sources determinist and efficient and their combination with silicon photonic circuits., Le développement de sources intégrées de photon unique efficaces dans les longueurs d’ondes des télécommunications est en train de jouer un rôle majeur pour le développement des technologies quantiques. Ce projet de recherche doctoral montre une contribution au développement de ces sources en proposant et démontrant expérimentalement la réalisation d’une paire de dispositifs nanophotoniques intégrés complémentaires. Deux principes fondamentaux de l’optique électromagnétique ont été utilisés pour leur conception, le théorème de réciprocité et le principe de Babinet. Les résultats montrent que les structures intégrées permettent un confinement extrême de la lumière et par conséquence, un renforcement des champs électrique et magnétique. Réciproquement, l’émission spontanée d’émetteurs électriques et magnétiques localisés à la place des champs confinés est accélérée sélectivement dans les modes du champ par effet Purcell électrique et magnétique. Les dispositifs complémentaires ont été fabriqués à l’aide de techniques avancées de lithographie électronique et caractérisés expérimentalement en champ lointain, via des mesures de durée de vie, ainsi qu’en champ proche à l’aide d'un microscope optique en champ proche. Ces mesures représentent une première étape de validation expérimentale vers la réalisation de sources intégrées de photon unique à base d’émetteurs quantiques. Les perspectives des travaux portent sur la réalisation de sources intégrées déterministes et efficaces et les combiner avec de circuits photonique sur silicium plus complexes.

Photonic technologies hold the potential to replace electronic technologies in near futureby solving most of the drawbacks of the electronic circuits. Generation andmanipulation of photons in an integrated waveguide-based platform are preferredover bulk-optical components, mainly due to their compactness, stability, scalability,connectivity, reproducibility, and low power consumptions. Sophisticated fabricationtechniques have enabled to design low-loss intricate planar and non-planararchitectures consisting of several twists and turns. Optical directional couplers(DCs), polarization beam splitters (PBSs), microring resonators (MRRs), etc. aresome of the indispensable components of the photonic circuits having a plethoraof applications in the linear, nonlinear, and quantum optical applications. Silicon(Si) has been the preferred material to design the photonic components due to thehigh refractive-index, low-loss, low-cost, and high nonlinearity.A corpus of works has been done to shrink the overall device footprint duringthe last few decades. At the beginning of the dissertation, a novel scheme tominiaturize the existing designs of optical DCs and PBSs based on off-centered,asymmetric, and hybrid dielectric slot waveguides is discussed. Slot dimensionsand positions are optimized to achieve maximum coupling coefficient (> 88% enhancement)between two adjacent silicon wire-waveguides. The scheme leads tothe device-length of 0.9 um, and 1.1 um, for the DC and the PBS, respectively,which is a significant improvement over their contemporary counterparts. Toobtain ripple-free broadband band-pass or band-rejection filters, serially coupledMRRs have been utilized which occupy large space on a chip. To overcome thisissue, non-concentric (off-axis) nested MRR has been proposed in this thesis workthat reduces the filter-size without compromising its performance, thereby enablinghigh-density photonic integration on-chip. High thermo-optic coefficient ofSi is the Achilles heel of the silicon-on-insulator MRR based electro-optic modulators(EOMs). Off-axis MRR also helps to mitigate the thermal red-shift in the spectral response of an MRR which facilitates its applicability to achieve athermalEOM. By further improvement in non-concentric nested MRRs, it is possible to attainand maintain high quality-factor and high extinction-ratio with a fabricationtolerance of 10-20%. Initial experiments on nested MRRs confirm the theoreticalpredictions. Such nested congurations will be highly efficient in bio-sensing andquantum applications for a broad ambient temperature range.The Kerr nonlinearity of the microresonators has been exploited through anarrow line-width continuous-wave laser source for the generation of equispacedcoherent frequency lines known as the optical frequency comb (FC). Most of thenonlinear materials used to generate FC, including Si, exhibit nonlinear lossesand free-carrier effects in the telecom wavelength range. In the next part of thethesis, an analytical model of FC in the presence of nonlinear losses, free-carrierabsorption, and dispersion effects has been developed, which capacitates us toexplain several experimental results previously obtained. Further, numerical simulationsexplore that, using dual-pump, it is possible to generate tunable FCand synchronous all-optical buffers, which are robust to the writing-jitters, 3rd orderdispersion, and Raman effect. Apart from linear and nonlinear applications,integrated optical devices provide an efficient testbed for the realization of theinvincible quantum technologies. In the final portion of the dissertation, efficientpumping schemes have been discussed to generate continuous variable bipartiteand multipartite entanglement in different waveguide-pairs, simultaneously, usingan integrated 5X5 periodically poled lithium niobate waveguide array throughspontaneous parametric down conversion., French not available

During the last 15 years, many quantum optics experiments were reproduced with microwave photons using superconducting circuits by building on the strong interaction of electromagnetic fields with Josephson junctions.This thesis focuses on the demonstration of a process where one microwave photon is converted to several photons at a different frequency. Contrary to phase-insensitive amplification, this multiplication can, in principle, be performed without added noise, thereby providing a building block for a simple single photon detector which is still missing for microwave photons.In order to attain efficient photo-multiplication, strong nonlinear coupling is required. We have designed high-impedance resonators coupled to voltage-biased Josephson junctions in order to provide the necessary non-linearity. The high-impedance resonators are designed using planar coils and are fabricated together with SIS Josephson junctions in a niobium trilayer process providing low capacitance junctions.Experimentally, we demonstrate the conversion from one to two photons with 90% efficiency and observe conversion from one to three photons, in agreement with theory. Cascading of at least two such multiplication stages should allow for discriminating an incoming one photon state from vacuum using a subsequent quantum limited amplifier, which can be realized using similar physics. Such a chain would then implement a number-resolving microwave single photon detector without deadtime., Durant les quinze dernières années, un grand nombre d’expériences d’optique quantique ont été reproduites dans le domaine des micro-ondes. Ces expériences ont été rendues possible grâce au couplage fort entre les champs électromagnétiques et jonctions Josephson au sein de circuits intégrés supraconducteurs.Cette thèse démontre l’existence d’un processus de conversion d’un photon micro-onde vers plusieurs photons avec une fréquence différente. Cette photo-multiplication n’impose théoriquement pas d’ajout de bruit, au contraire d’une amplification non sensible à la phase. Ce processus peut donc être à la base d’un détecteur de photon unique simple, ce qui n’existe pas encore dans le domaine des micro-ondes.Pour obtenir une photo-multiplication efficace, un couplage non-linéaire fort est nécessaire. Nous avons conçu des résonateurs avec une grande impédance caractéristique et les avons couplés avec des jonctions Josephson polarisées avec une tension continue, la jonction étant à l’origine de la non-linéarité nécessaire. Ces résonateurs sont constitués par des bobines planes. Ils sont fabriqués simultanément avec les jonctions Josephson au sein d’un procédé utilisant une tri-couche de niobium. Ce procédé permet la fabrication de jonctions SIS de faible capacité parasite.Expérimentalement, nous avons mesuré une conversion d’un photon vers deux photons avec une efficacité de 90 % et observé la conversion d’un photon vers trois photons, en accord avec la théorie. En principe, ce processus peut être répété pour mettre au point un détecteur de photon-unique, distinguant le nombre de photons simultanés en entrée. Un tel détecteur serait constitué d’au moins deux étages de photo-multiplication puis d’un amplificateur limité quantiquement en sortie.

Quantum phenomena give rise to new and revolutionary possibilities in the fields of computation and cryptography. The problems that are unsolvable with classical means are expected to be solved by quantum computers, and communication becomes absolutely secure, if it is encoded in a state of a quantum system. A large effort has been recently paid to research of deterministic transfer of information between photons and atoms, acting as flying and stationary quantum bits respectively. The interaction between these two components is enhanced, if they are put in a unidimensional medium, realizing a so called "1D atom". The study of this specific optical medium and its applications to quantum technologies constitutes the objective of this thesis.First, we explore the light-matter interface realized as a 1D atom, with a semiconductor quantum dot in a micropillar cavity as an example. We study the coherent control of this system with light pulses in order to find an optimal way to control its state, varying the power, shape and duration of a pulse and statistics of the state of light field. We also study the impact of the 1D atom on the state of the reflected field as a function of parameters of the experimental device, describing the filtering of single photon Fock state from incident pulse.We continue with the study of the quantum state of the scattered light field, focusing on its purity. This is required to faithfully transmit the superposition state of one stationary qubit to another using light as a flying quantum bit. We develop a method to experimentally characterize the purity, and apply it to experimental data, showing that the state of art technology allows to create high-purity superpositions.Finally, we focus on the readout of a stationary qubit based on a single spin in a unidimensional environment. We study how to efficiently use polarized light for this purpose, showing that it is possible to readout the spin state, by detection of only one photon. We explore different deviations from this optimal regime. We also study the decoherence of the spin state due to interaction with the light field and the back-action of the measurement, showing that it is possible to freeze the spin state due to the quantum Zeno effect, which allows the preparation of the qubit, based on it, in an arbitrary superposition state. This opens perspectives towards efficient realization of stationary quantum bits based on single spins embedded in unidimensional electromagnetic environment., Les phénomènes quantiques ouvrent des possibilités nouvelles et révolutionnaires dans les domaines du calcul et de la cryptographie. Il est attendue, que des problèmes impossibles à résoudre avec des moyens classiques, peuvent être résolus par des ordinateurs quantiques, et la communication devient absolument sécurisée si elle est encodée dans un état de système quantique – un bit quantique. Un effort important a récemment été consacré à la recherche sur le transfert déterministe d’information entre photons et atomes, fonctionnant comme des bits quantiques volants et stationnaires respectivement. L’interaction entre ces deux composants est augmentée s’ils sont placés dans un milieu optique unidimensionnel, réalisant un système appelée “un atome 1D”. L’étude de ce milieu optique et des ses applications aux technologies quantiques constitue l’objectif de cette thèse.Tout d’abord, nous explorons l’interaction entre le champ lumineux et un atome 1D, en prenant une boîte quantique semi-conductrice dans un micropilier comme exemple. Nous étudions le contrôle cohérent de ce système avec des impulsions lumineuses afin de trouver un moyen optimal de contrôler son état, en faisant varier la puissance, la forme et la durée d’une impulsion, ainsi que la statistique de l’état quantique du champ lumineux. Nous étudions également l’impact de l’atome 1D sur l'état du champ réfléchi en fonction des paramètres du système expérimental.Nous poursuivons avec l’étude de l’état quantique du champ lumineux réfléchi, en nous concentrant sur sa pureté. C’est important pour transmettre fidèlement l’état superposition d’un bit stationnaire à un autre par la lumière, qui agit comme un bit quantique volant. Nous développons une méthode de caractérisation expérimentale de la pureté et l’appliquons à des données expérimentales, démontrant ainsi que la technologie moderne permet de créer des superpositions de haute pureté.Enfin, nous nous concentrons sur la lecture d’un qubit stationnaire basé sur un spin dans un environnement unidimensionnel. Nous étudions comment la lumière polarisée peut être utilisé pour cela, en montrant qu’il est possible de lire l’état de spin en détectant qu’un seul photon. Nous explorons différents écarts de ce régime optimal. Nous étudions également la décohérence de l’état de spin due à l’interaction avec le champ lumineux, et back-action de la mesure, montrant que l’état de spin peut être “gelé”. C’est une manifestation de l’effet Zeno quantique, qui permet la préparation du qubit dans un état arbitraire. Cela ouvre des perspectives pour la réalisation efficace de bits quantiques stationnaires basés sur des spins uniques incorporés dans un environnement électromagnétique unidimensionnel.

In this thesis, we aim at demonstrating chiral optical effects in plasmonic systems. The manipulation of the different degrees of freedom of light is evidenced by complementary experimental approaches based on polarisation tomography, leakage radiation microscopy and scanning near-field optical microscopy (SNOM). On one hand, we report on a non-invasive method to reveal the coexistence of surface and bulk chirality in plasmonic metasurfaces. Specifically, we extend the model of Kuhn to describe this chirality mixture. On the other hand, we demonstrate two plasmonic devices which rely on the optical spin-orbit coupling to control the spin and the orbital angular momentum of light. In particular, the reciprocal mechanism of the spin-Hall effect of light is shown using T-shaped nano-apertures: the trajectory of surface plasmons can be encoded in the spin of the photons. This which-path marker is then implemented in an interference erazer experiment. Plasmonic vortex generation is also reported in spiral cavities. The spiral chirality rules the intensity as well as the angular orbital momentum of the singular fields. Finally, as a proof of concept, we demonstrate using a conventional and quantum SNOM probe that the local density of optical states can be structured by a chiral environment. We also connect the density and flux chirality to light-matter interactions. Studying chirality in the context of plasmonics opens promising prospects in the optical nano-manipulation, chiral molecules discrimination and the control of quantum sources., L'objectif de ce projet de thèse est de mettre en évidence des phénomènes de chiralité optique induits dans des systèmes plasmoniques. La manipulation des différents degrés de liberté de la lumière est mise en évidence par le biais de techniques expérimentales complémentaires basées sur la tomographie en polarisation, la microscopie à fuites radiatives et la microscopie en champ proche optique (SNOM). D'une part, nous rapportons une méthode de caractérisation non-invasive afin de révéler la présence conjointe de chiralité planaire et volumique au sein de métasurfaces plasmoniques. Pour décrire cette chiralité mixte, une généralisation du modèle de Kuhn est développée. D'autre part, nous démontrons deux dispositifs plasmoniques exploitant le couplage spin-orbite optique pour contrôler les moments angulaires de spin et orbitaux de la lumière. En particulier, le mécanisme réciproque de l'effet spin Hall optique est démontré à l'aide de nano-ouvertures en forme de T: la trajectoire des plasmons de surface est adressée dans le moment angulaire de spin des photons. Cette fonctionnalité est ensuite mise en œuvre dans une expérience de brouillage d'interférence. La génération de vortex plasmoniques est également réalisée par le biais de cavités spirales, dont la chiralité conditionne l'intensité et le moment angulaire orbital des vortex. Enfin, une preuve de concept sur la mesure de la densité locale d’états optique, façonnée par un environnement chiral, est démontrée à l'aide d'une sonde SNOM classique et quantique. Ce travail permet de connecter les grandeurs de densité et de flux de chiralité aux interactions lumière-matière. L'étude de la chiralité dans le contexte de la plasmonique ouvre des perspectives prometteuses dans la nano-manipulation optique, la séparation de molécules chirales et le contrôle de sources quantiques.

In the recent years, the field of light-matter interaction has made a further stride forward with the advent of superconducting qubits ultra-strongly coupled to open waveguides. In this setting, the qubit becomes simultaneously coupled to many different modes of the waveguide, thus turning into a highly intricate light-matter object. Investigating the wealth of new dynamical phenomena that emerge from the high complexity of these engineered quantum many-body systems is the main objective of this thesis.As a first crucial step, we tackle the time-evolution of such a non-trivial system using a novel numerical technique based on an expansion of the full state vector in terms of multi-mode coherent states. Inspired by earlier semi-classical approaches, this numerically exact method provides an important advance compared to the state-of-the-art techniques that have been used so far to study the many-mode ultra-strong coupling regime. Crucially, it also keeps track of every detail of the dynamics of the complete qubit-waveguide system, allowing both to perform the tomography and to extract multi-particle scattering of the waveguide degrees of freedom.An exploration of the many-mode ultra-strong coupling regime using this new technique led to the two core theoretical predictions of this thesis. The first demonstrates that the radiation spontaneously emitted by an excited qubit takes the form of a Schrödinger cat state of light, a result strikingly different from the usual single-photon emission known from standard quantum optics. The second prediction concerns the scattering of low-power coherent signals on a qubit, a very common experimental protocol performed routinely in laboratories. Most remarkably, it is shown that the qubit non-linearity, transferred to the waveguide through the ultra-strong light-matter interaction, is able to split photons from the incoming beam into several lower-energy photons, leading to the emergence of a low-frequency continuum in the scattered power spectrum that dominates the inelastic signal. By studying the second-order correlation function of the radiated field, it is also shown that emission at ultra-strong coupling displays characteristic signatures of particle production.In the final part of the thesis, the second-order correlation function is investigated again, but this time experimentally, and in the regime of moderate coupling. Although the results are still preliminary, this part of the thesis will provide an instructive account of signal measurement theory and will allow to understanding in-depth the experimental procedure involved in measuring quantum microwave signals. Moreover, the experimental developments and microwave simulations tools described in this section could be applied in the future to signals emitted by ultra-strongly coupled qubits, in order to observe the signatures of particle production revealed by the second-order correlation function., Au cours des dernières années, le domaine de l'interaction lumière-matière a fait un pas de plus en avant avec l'avènement des qubits supraconducteurs couplés ultra-fortement à des guides d'ondes ouverts. Dans ce contexte, un qubit devient simultanément couplé à de nombreux modes du guide d'onde, se transformant ainsi en un objet hybride lumière-matière hautement intriqué. L'étude de nouveaux phénomènes dynamiques qui émergent de la grande complexité de ces systèmes quantiques à N-corps est l'objectif principal de cette thèse.Dans une première étape cruciale, nous abordons l'évolution dans le temps d'un tel système en utilisant une nouvelle technique numérique basée sur un développement complet du vecteur d'état en termes d'états cohérents multimodes. Inspirée par des approches semi-classiques antérieures, cette technique numériquement exacte fournit un progrès important par rapport aux méthodes de pointe qui ont été utilisées jusqu'à présent pour étudier le régime de couplage ultra-fort à N-corps. Fondamentalement, cette approche préserve également le détail de la dynamique du système complet réunissant le guide d'onde et le qubit, permettant à la fois d'effectuer la tomographie et d'extraire la diffusion multi-particule des degrés de liberté du guide d'onde.Une exploration du régime de couplage ultra-fort multi-mode utilisant cette nouvelle technique a conduit aux deux prédictions théoriques fondamentales de cette thèse. La première démontre que le rayonnement émis spontanément par un qubit excité prend la forme d'un chat de Schrödinger de lumière, un résultat étonnamment différent de l'émission de photon unique habituelle en optique quantique. La seconde prédiction concerne la diffusion de signaux cohérents de faible puissance sur un qubit, un protocole expérimental très courant en laboratoire. De façon remarquable, il est montré que la non-linéarité du qubit, transférée au guide d'onde par l'interaction ultra-forte avec la lumière, est capable de diviser les photons du faisceau entrant en plusieurs photons de plus basse énergie, conduisant à l'émergence d'un continuum basse fréquence dans le spectre de puissance, qui domine le signal hors-résonant. En étudiant la fonction de corrélation de second ordre dans le champ rayonné, il est également démontré que l'émission en couplage ultra-fort présente des signatures caractéristiques de la production de particules.Dans la dernière partie de la thèse, la fonction de corrélation de second ordre est à nouveau étudiée, mais cette fois expérimentalement, et dans le régime du couplage modéré. Bien que les mesures soient encore préliminaires, cette partie de la thèse présente un compte-rendu instructif de la théorie de la mesure du signal et permet de comprendre en détail la procédure expérimentale impliquée dans la mesure des signaux quantiques. De plus, à l'avenir, les développements expérimentaux et les outils de simulation décrits pourraient être appliqués aux signaux émis par des qubits ultra-fortement couplés, afin d'observer les signatures de production de particules révélées par la fonction de corrélation du second ordre.

The present manuscript reports theoretical investigations about the use of recently developed experimental techniques in the realization of quantum information protocols with continuous variables. The focus of the work is on the multi-mode Gaussian states produced by spontaneous parametric down-conversion of optical frequency combs. Such setup allows to deterministicallyengineer many different Gaussian states of light. The output state can be de-Gaussified subtracting or adding a photon coherently on a superposition of modes and finally measured with pulse-shaped and wavelength-multiplexed homodyne detection. The thesis encompasses three projects. The first concerns the optimization of the spectrum of the pump laser field to engineer the Gaussian output state. We developed mathematical techniques to treat spectral profiles with arbitrary amplitude and spectral phase. We thenran an optimization algorithm to find the spectra maximizing several interesting properties of the state of the down-converted field. A particular emphasis was put on the production of continuous-variable cluster states. The optimizations were developed in such a way as to ensure the experimental feasibility of the optimized pump spectra. In the second project we studied how the non-Gaussian states produced subtracting a photon from a squeezed state can be used for quantum computation. We propose a protocol inspired by the measurement-based paradigm for quantum computation combining the photon subtracted states and homodyne detectionto approximate unitary non-Gaussian operations. We show that the same results can be obtained with projective measurements onsingle-photon states. Finally, the third project deals with quantum secret sharing. In quantum secret sharing schemes a dealer wants to share information encoded in some quantum system with a group of players in such a way that subsets of players need to collaborate if they want to retrieve the information. We devised a secret sharing protocol that could be mapped to the experimental setups developed in our group and participated in the formulation of an experimental proof of principle of such protocol. Starting from this we derived general results for sharing and reconstructing arbitrary quantum states using Gaussian resources., Ce manuscrit porte sur l’étude théorique de techniques expérimentales récemment développées pour réaliser des protocoles d’information quantique en variables continues. Les états Gaussiens multi-modes produits par conversion paramétrique de peignes de fréquences optiques jouent un rôle centrale dans ce travail. Ce phénomène permet de générer de façon déterministe un grand nombre d’états Gaussiens de la lumière. L’état de sortie peut ensuite être de-Gaussifié par soustraction ou addition d’un photon dans une superposition cohérente de modes du champ, puis mesuré par détection homodyne. La thèse est organisée en trois projets principaux. Le premier concerne l’optimisation du spectre du laser de pompe pour manipuler l’état de sortie de la conversion paramétrique. Nous avons développé les outils mathématiques pour traiter des profils spectraux avec amplitude et phase spectrales arbitraires. On a ensuite utilisé un algorithme d’optimisation pour trouver les spectres maximisant des différentes propriétés de l’état de sortie. Une importance particulière est donnée à la production d’"états cluster" en variables continues. Les optimisations ont été développées pour prendre en compte les limitations expérimentales pour assurer la faisabilité des forme spectrales dans les expériences. Dans le deuxième projet nous avons étudié comment les états non-Gaussiens obtenus par soustraction d’un photon d’un état comprimé peuvent être utilisés pour le calcul quantique. Nous proposons un protocole inspiré par le paradigme de "calcul quantique basé sur la mesure" qui combine l’état de-Gaussifié et la mesure homodyne pour approximer des opérateurs unitaires non-Gaussiens. On montre que les mêmes résultats peuvent être obtenus avec des mesure projectives sur des états de photon unique. Finalement, le troisième projet porte sur le partage de secret quantique ("quantum secret sharing"). Dans les protocoles de partage de secret quantique un donneur veut distribuer de l’information codée dans un système quantique à plusieurs joueurs d’une façon qui oblige des sous-ensembles de joueurs à collaborer s’ils veulent retrouver l’information originale. Nous avons développé un protocole qui peut être transféré aux expériences de notre groupe et nous avons participé à la formulation d’une preuve de concept expérimentale. À partir de cela, nous avons dérivé des résultats généraux sur le partage et la reconstruction d’états arbitraires de la lumière en utilisant des ressources Gaussiennes.

The uncertainty principle lies at the heart of quantum physics. It exhibits one of the key divergences between a classical and a quantum system: it is impossible to define a quantum state for which the values of two observables that do not commute are simultaneously specified with infinite precision. A paradigmatic example is given by Heisenberg’s original formulation of the uncertainty principle expressed in terms of variances of two canonically-conjugate variables, such as position x and momentum p, which was later generalized to a symplectic-invariant form by Schrödinger and Robertson. A different kind of uncertainty relations, originated by Białynicki-Birula and Mycielski, again for canonically-conjugate variables, relies on Shannon entropy instead of variances as a measure of uncertainty. In this thesis, we suggest several improvements of these entropic uncertainty relations and highlight the fact that they are better formulated in terms of entropy power, a notion borrowed from the information theory of real-valued signals. Our first novel entropic uncertainty relation takes x-p correlations into account and is consequently saturated by all pure Gaussian states in an arbitrary number of modes, improving on the original formulation by Białynicki-Birula and Mycielski. Our second main result is the derivation of an entropic uncertainty relation that holds for any n-tuples of not-necessarily canonically conjugate variables based on the matrix of their commutators. We then define a general form of the entropic uncertainty principle that combines both previous results. It expresses the incompatibility between two arbitrary variable n-uples and is saturated by all pure Gaussian states. Interestingly, we can also deduce from it the most general form of the Robertson uncertainty relation based on the covariance matrix of n variables.This line of research underlines the interest of defining an entropic uncertainty relation that is intrinsically invariant under symplectic transformations. Then, as a first attempt to reach this goal, we conjecture a symplectic-invariant uncertainty relation that is based on the joint differential entropy of the Wigner function. This conjecture is, however, only legitimate for states with a non-negative Wigner function. We also suggest a complex extension of this so-called Wigner entropy, which could provide the way towards an extension (and proof) of the above conjecture for all states. As a second attempt, we introduce the notion of multi-copy uncertainty observables, exploiting a connection with the algebra of angular momenta. Expressing the positivity of the variance of our multi-copy observable coincides with the Schrödinger-Robertson uncertainty relation, which suggests that the discrete Shannon entropy of such an uncertainty observable provides a new symplectic-invariant measure of uncertainty.Currently available separability criteria for continuous-variable systems imply a necessary and sufficient condition for a two-mode Gaussian state to be separable, but leave many entangled non-Gaussian states undetected. In this thesis, we introduce two improved separability criteria that enable a stronger entanglement detection. The first improved condition is based on the knowledge of an additional parameter, namely the degree of Gaussianity, and exploits a connection with Gaussianity-bounded uncertainty relations by Mandilara and Cerf. We exhibit families of non- Gaussian entangled states whose entanglement remains undetected by the Duan- Simon criterion. The second improved separability criterion is based on our improved entropic uncertainty relation that takes x-p correlations into account, and has the main advantage over the one proposed by Walborn et al. that it does not require any optimization procedure., Le principe d’incertitude se situe au cœur de la physique quantique. Il représente l’une des différences majeures entre des systèmes classiques et quantiques, soit qu’il est impossible de définir un état quantique pour lequel deux observables qui ne commutent pas auraient des valeurs spécifiées simultanément et avec une précision infinie. La formulation originale du principe d’incertitude est due à Heisenberg et est exprimée en termes des variances de deux variables canoniquement conjuguées, telles que la position x et l’impulsion p. Cela fut par la suite généralisé par Schrödinger et Robertson qui ont donné au principe d’incertitude une forme invariante sous transformations symplectiques. Si l’incertitude est mesurée à l’aide de l’entropie différentielle de Shannon plutôt que des variances, il est alors possible de définir d’autres types de relations d’incertitude. Originellement introduites par Białynicki-Birula et Mycielski, elles expriment également l’incompatibilité entre deux variables canoniquement conjuguées. Dans cette thèse, nous proposons différentes améliorations de ces relations d’incertitude entropiques et mettons particulièrement l’accent sur le fait qu’elles s’expriment mieux sous forme de puissances entropiques, une notion empruntée à la théorie de l’information. En premier lieu, nous introduisons une nouvelle relation d’incertitude entropique qui tient compte des corrélations x-p et qui est par conséquent saturée par tous les états purs Gaussiens, ce qui représente une amélioration par rapport à la formulation originale de Białynicki- Birula et Mycielski. En second lieu, nous dérivons une relation d’incertitude entropique valide pour tous les n-uplets de variables non nécessairement canoniquement conjuguées et basée sur la matrice de leurs commutateurs. Nous définissons ensuite une forme plus générale du principe d’incertitude entropique qui combine les deux résultats précédents. Il exprime l’incompatibilité entre deux n-uplets arbitraires de variables et est saturé par tous les états purs Gaussiens. Notons que de ce principe d’incertitude entropique, nous pouvons déduire la forme la plus générale de la relation d’incertitude de Robertson, basée sur la matrice de covariance de n variables. Les résultats précédents soulignent un des points essentiels de notre axe de recherche: définir une relation d’incertitude entropique intrinsèquement invariante sous trans- formations symplectiques. Afin d’atteindre cet objectif, notre première tentative est de conjecturer une relation d’incertitude — invariante sous transformations symplectiques — basée sur l’entropie différentielle jointe de la fonction de Wigner. Cette conjecture n’est cependant légitime que pour des états décrits par une fonction de Wigner non-négative. Nous proposons aussi une extension complexe de cette en- tropie dite entropie de Wigner, qui pourrait ouvrir la voie vers une extension (et une preuve) de la conjecture proposée ci-dessus qui serait alors valide pour tous les états quantiques. Comme seconde tentative, en exploitant une connexion avec l’algèbre des moments angulaires, nous introduisons la notion d’observables d’incertitude agissant sur plusieurs copies d’un état. Exprimer la positivité de la variance de notre observable coïncide avec la relation d’incertitude de Schrödinger-Robertson, ce qui suggère que l’entropie discrète de Shannon d’une telle observable fournit une nouvelle mesure de l’incertitude. Cette relation d’incertitude est invariante sous transformations symplectiques.Les critères de séparabilité actuellement disponibles pour les variables continues donnent une condition nécessaire et suffisante afin qu’un état Gaussien bimodal soit séparable, mais laissent de nombreux états intriqués non-Gaussiens non détectés. Dans cette thèse, nous introduisons deux nouveaux critères de séparabilité qui permettent une meilleure détection de l’intrication. La première nouvelle condition est basée sur la connaissance d’un paramètre supplémentaire, à savoir le degré de Gaussianité de l’état, et exploite une connexion avec les relations d’incertitude de Mandilara et Cerf bornées par ce degré de Gaussianité. En particulier, nous donnons l’exemple de familles d’états intriqués non Gaussiens dont l’intrication est détectée par notre critère, mais pas par celui de Duan-Simon. Le second critère de séparabil- ité entropique que nous proposons est basé sur notre nouvelle relation d’incertitude entropique qui tient compte des corrélations x-p. Son principal avantage par rapport au critère de Walborn et al. est de ne nécessiter aucune procédure d’optimisation., Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie, info:eu-repo/semantics/nonPublished

The evolution of technologies related to semiconductors has led to the study of the coherence of Quantum Bits (Qbits) in order to reduce the size of the components. Using nonlinear coherent spectroscopy, I was able to study the coherence properties of excitons confined in quantum dots (BQs), themselves integrated into different nano-structures. The interest of nanostructures is to increase the signal-to-noise ratio, essential in our experience. The use of nano-structures is also essential for the purpose of setting up a long-distance radiative coupling between 2 BQs.First of all, it was necessary to characterize deterministic nano-structures that make it possible to increase the yield of usable samples by preserving the signal intensity emitted by the BQs. In addition, I developed my experience to refine our ability to study close-coupling between BQs embedded in a micro-cavity. Then we tested several forms of 1D nano-structures (trumpets and ridges) in order to amplify the long-distance coupling and to understand the obstacles we will have to face. Finally a characterization of new 2D materials was realized, in order to improve our understanding of exciton dynamics in this type of materials., L'évolution des technologies liées aux semi-conducteurs a amené à l'étude de la cohérence des Bits Quantiques (Qbits) dans l'objectif de réduction de la taille des composants. A l'aide de la spectroscopie cohérente non-linéaire, j'ai pu étudier les propriétés de cohérences des excitons confinés dans des boites quantiques (BQ), eux-même intégrées dans différentes nano-structures. L'intérêt des nano-structures est d'augmenter le ratio signal-sur-bruit, indispensable dans notre expérience. L'utilisation des nano-structures est aussi indispensable dans l'objectif de la mise en place d'un couplage radiatif à longue distance entre 2 BQs. Il fut tout d'abord nécessaire de caractériser des nano-structures déterministes permettant d'augmenter le rendement d 'échantillons utilisables en conservant l'intensité de signal émit par les BQs. De plus, j'ai développé mon expérience afin d'affiner notre capacité d'étudier le couplage proches entre BQs intégrées dans une micro-cavité. Ensuite Nous avons testé plusieurs formes de nano-structures 1D (trompettes et ridges) afin de d'amplifier le couplage à longue distance et et comprendre les obstacles auxquels nous auront à faire face . Enfin une caractérisation de nouveaux matériaux 2D fut réalisée, en vue de d'améliorer notre compréhension des dynamiques des excitons dans ce type de matériaux.

This cotutelle PhD thesis revolves around quantum optics experiments which involve large atomic ensembles. The study of light-matter interaction and its enhancement are crucial steps in the development and progress of quantum information generation, storage and processing protocols. The work presented here focuses on the evolution of large atomic ensemble preparation techniques, on the development and experimental investigation of stopped and stationary light protocols. Laser-cooled atomic ensembles in both experimental realisations have been brought to optical depths of a few hundreds, at temperatures of tens of microkelvin. Moreover, addressing these ensembles in symmetric configurations has enabled the study of protocols based on the temporal reversal of the mapping of light to collective atomic excitations. These enhancements have led to the storage of qubits based on electromagnetically-induced transparency, and the optical storage in a backward-retrieval Raman scheme, both demonstrating efficiency records, above 50%. This work has also led to the experimental investigation of stationary light and new protocols based on it., Cette thèse de doctorat en co-tutelle a été centrée sur des expériences d’optique quantique faisant intervenir de grands ensembles atomiques. L’étude de l’interaction entre la lumière et la matière et l’augmentation de leur couplage dans ces systèmes sont des étapes fondamentales pour le développement et l’amélioration de protocoles de génération, de stockage et de manipulation d’information quantique. Le travail de thèse exposé ici traite en particulier de l’évolution des techniques de préparation d’ensembles atomiques denses, des protocoles de lumière arrêtée et de lumière stationnaire développés et étudiés expérimentalement. Les ensembles d’atomes froids préparés par refroidissement laser dans les deux réalisations expérimentales ont été portés jusqu’à des épaisseurs optiques de plusieurs centaines, à des températures d’une dizaine de microkelvin. De plus, l’adressage de ces ensembles dans des configurations symétriques ont permis l’étude de protocoles basés sur le renversement temporel de la conversion de lumière en excitations atomiques collectives. Ces améliorations ont mené au stockage de bits quantiques par transparence induite électromagnétiquement, et de lumière cohérente par symétrie temporelle dans une mémoire Raman, tous deux à des record d’efficacité, à de plus de 50%. Ce travail a également conduit à l’étude expérimentale de la lumière stationnaire et de nouveaux protocoles en découlant.

This thesis is about the theory of open quantum many-body physics with a particular focus on driven-dissipative photonic and spin lattices. After a review of the main physical platforms and theoretical concepts, we describe our original results. In Chapter 2, we present a theory of the single-mode Kerr model with a time-dependent pump. This model describes a single-mode optical cavity with a third-order optical nonlinearity. In the regime of parameters where the semiclassical analysis shows bistability, we find that a dynamic hysteresis loop appears in the exact solution. The hysteresis area as a function of the sweep time shows a double power-law decay where the second exponent is independent of the system parameters. We show how these effects are related to the emergence of a dissipative phase transition. We also describe concisely the experimental results which have recently confirmed such theoretical predictions. In Chapter 3, we present the corner-space renormalization method. In order to obtain the steady-state density matrix of the lattice, we solve the Lindblad master equation in a subspace of the Hilbert space (the "corner"). The states spanning the corner space are selected iteratively using eigenvectors of the density matrix of smaller lattice systems, merging in real space two lattices at each iteration and selecting M pairs of states by maximizing their joint probability. The accuracy of the results is then improved by increasing the dimension M of the corner space until convergence is reached. The method has been benchmarked on a two-dimensional Bose-Hubbard model with coherent driving. The strength and limitations of the method are critically discussed.In Chapter 4, we investigate a dissipative phase transition in the two-dimensional anisotropic Heisenberg XYZ model. Using the corner-space renormalization method we present a finite-size analysis of steady-state observables. In particular, we show the critical behaviour of the magnetic susceptibility, the entropy growth and the entanglement witnesses, providing a first evaluation of the critical exponents characterizing the transition. A study of the dynamics of finite-size systems is also consistent with a critical slowing down. For comparison, we present the corresponding analysis for one-dimensional arrays, showing the absence of criticality due to the reduced dimension.In Chapter 5, we explore the non-equilibrium photonic phases of a dissipative Bose-Hubbard model with incoherent pumping of coupled two-level systems. Within a Gutzwiller mean-field approach, we determine the steady-state phase diagram of the system. We predict a second-order phase transition between an incompressible Mott-like phase and a coherent delocalized phase., Les travaux théoriques présentés dans cette thèse portent sur la physique à N-corps dans les systèmes quantiques ouverts. Nous nous intéressons en particulier aux réseaux dissipatifs de spins ou de cavités optiques non-linéaires avec pompage extérieur. Après une revue des principales plateformes physiques et concepts théoriques au Chapitre 1, nous présentons dans le Chapitre 2 une théorie quantique du modèle de Kerr à un mode avec une pompe modulée dans le temps. Ce modèle décrit une cavité optique présentant une non-linéarité d’ordre trois. Dans le régime où la théorie semi-classique prédit un comportement bistable, nous trouvons qu’une boucle d’hystérésis apparaît dans la solution quantique exacte. L’aire de la boucle d’hystérésis en fonction de la période de la modulation décroît en suivant une double loi de puissance. Nous montrons que ces effets sont liés à l’émergence d’une transition de phase dissipative. Nous décrivons brièvement des résultats expérimentaux qui confirment nos prédictions. Dans le Chapitre 3, nous introduisons la méthode "corner-space renormalization". Pour obtenir la matrice densité du réseau, nous résolvons l’équation maîtresse dans un sous-espace de l’espace de Hilbert. Les états qui engendrent ce sous-espace sont sélectionnés de façon itérative à partir des états propres des matrices densité de plus petits réseaux. Lors de la fusion de deux réseaux, nous sélectionnons les paires d’états en maximisant leur probabilité combinée. L’exactitude de la méthode est testée sur un réseau de Bose-Hubbard bidimensionnel pompé de façon cohérente.Dans le Chapitre 4, nous examinons une transition de phase dissipative dans un réseau de spin bidimensionnel implémentant le modèle XYZ anisotrope de Heisenberg. En s'appuyant sur la méthode introduite dans le Chapitre 3, nous menons une analyse de taille finie des observables dans l’état stationnaire. En particulier, nous montrons le comportement critique de la susceptibilité magnétique, de la croissance de l’entropie et de marqueurs d’intrication, fournissant ainsi la première estimation des exposants critiques caractérisant cette transition. Notre étude de la dynamique de ces systèmes est également en accord avec l’hypothèse d’un ralentissement critique. Comme point de comparaison, nous exposons des résultats analogues pour des réseaux unidimensionnels, montrant ainsi l’absence de criticité en une dimension.Dans le Chapitre 5, nous examinons les phases photoniques hors-équilibre d'un réseau de Bose-Hubbard dissipatif couplé à un ensemble de systèmes à deux niveaux. Dans le cadre d’une approximation de champ moyen à la Gutzwiller, nous déterminons le diagramme des phases stationnaires du système. Nous prédisons une transition de phase du second ordre entre une phase incompressible semblable à un isolant de Mott et une phase cohérente délocalisée.

In recent years, the field of quantum optics has thrived thanks to the possibility of controlling light-matter interaction at the quantum level.This is relevant for the study of fundamental quantum phenomena, the generation of artificial quantum systems, and for quantum information applications.In particular, it has been possible to considerably increase the intensity of light-matter interaction and to shape the coupling of quantum systems to the environment, so to realise unconventional and highly nonclassical states.However, in order to exploit these quantum states for technological applications, the question of how to measure and control these systems is crucial.Our work is focused on proposing and exploring new protocols for the measurement and the control of quantum systems, in which strong interactions and peculiar symmetries lead to the generation of highly nonclassical states.The first situation that we consider is the ultrastrong coupling regime in cavity (circuit) quantum electrodynamics.In this regime, it becomes energetically favourable to have photons and atomic excitations in the ground state, that is no more represented by the standard vacuum.In particular, in case of parity symmetry, the ground state is given by a light-matter Schrödinger cat state.However, according to energy conservation, the photons contained in these exotic vacua are bound to the cavity, and cannot be emitted into the environment.This means that we can not explore and control them by simple photodetection.In our work we propose a protocol that is especially designed to overcome this issue.We show that we can infer the photonic properties of the ground state from the Lamb shift of an ancillary two-level system.Another class of systems in which the fundamental parity symmetry leads to very unconventional quantum states is given by two-photon driven-dissipative resonators.Thanks to the reservoir engineering, it is today possible to shape the interaction with the environment to stabilize the system in particularly interesting quantum states.When a resonator (an optical cavity) exchanges with the environment by pairs of photons, it has been possible to observe the presence of optical Schrödinger cat states in the transient dynamics of the system.However, the quantum correlations of these states quickly decays due to the unavoidable presence of one-photon dissipation.Protecting the system against this perturbation is the goal of the parity triggered feedback protocol that we present in this thesis, Ces dernières années, les progrès réalisés dans le contrôle de l'interaction lumière-matière au niveau quantique ont conduit à de nombreuses avancées en optique quantique, en particulier dans l'étude de phénomènes quantiques fondamentaux, dans la conception de systèmes quantiques artificiels et dans les applications en information quantique. Il a notamment été possible d'augmenter considérablement l'intensité de l'interaction lumière-matière et de contrôler le couplage de systèmes quantiques à leur environnement, afin d'obtenir des états non conventionnels et fortement non classiques. Cependant, pour exploiter ces états quantiques en vue d'applications technologiques, il est crucial de pouvoir mesurer et contrôler ces systèmes avec précision. Dans ce contexte, ce travail de thèse est consacré à l'étude de nouveaux protocoles pour la mesure et le contrôle de systèmes quantiques dans lesquels des fortes interactions et des symétries particuliers conduisent à la génération d'états fortement non classiques. Nous nous intéressons dans un premier temps au régime de couplage ultra-fort de l'électrodynamique quantique en cavité (et de circuit). Plus précisément, l'état de fondamental n'est plus le vide standard, car il devient énergiquement favorable qu'il contienne des photons.Dans ce régime on peut même obtenir des chat de Schrödinger comme état fondamental.En revanche, pour assurer la conservation de l'énergie, les photons contenus dans ce vide exotique sont liés à la cavité et ne peuvent pas s'échapper dans l'environnement. Cela signifie qu'ils ne peuvent être mesurés par simple photodétection. Nous proposons dans ce travail un protocole spécialement conçu pour surmonter cette difficulté. Nous montrons qu'il est possible de déduire les propriétés photoniques de l'état fondamental à partir du déplacement de Lamb d'un système à deux niveaux auxiliaire.Les résonateurs optiques à paires de photons constituent une autre classe de systèmes dans lesquels la symétrie de parité conduit à des états quantiques non conventionnels. Grâce à "l'ingénierie de réservoir", il est aujourd'hui possible de contrôler l'interaction d'un système avec son environnement, de façon à le stabiliser dans des états quantiques particulièrement intéressants. En particulier, quand un résonateur (une cavité optique) est couplé à l'environnement par échange de paires de photons, il est possible de créer de chats de Schrödinger optiques dans la dynamique transitoire du système. Les corrélations quantiques de ces états sont par contre rapidement perdues en raison de la présence inévitable de dissipation à un photon. Protéger le système contre cette perturbation est le but du protocole de feedback basé sur la parité que nous présentons dans cette thèse

Josephson parametric amplifiers (JPA), have proven to be an indispensable tool for awide range of experiments on quantum devices in the microwave frequency regime, becausethey provide the lowest possible noise. However, JPAs remain much more difficult to use andoptimize than conventional microwave amplifiers. Recent experiments with superconductingcircuits consisting of a DC voltage-biased Josephson junction in series with a resonator,showed that a tunneling Cooper pair can emit one or several photons with a total energyof 2e times the applied voltage. In this thesis we show that such q circuit can be used toimplement a new type of phase preserving microwave amplifier, which we call InelasticCooper pair Tunneling Amplifier (ICTA). It is powered by a simple DC bias and offers nearquantum-limited noise performance.We start this work by presenting a brief and simple picture of the basic ICTA operatingprinciples. In analogy with the quantum theory of JPAs, we calculate the performances ofthis amplifier such as the gain, bandwidth and noise. Then, we present the first experimentalproof that amplification close to the quantum limit is possible without microwave drive inan extremely simple setup. These measurements are made on a first generation of samplesbased on aluminium junctions. According to our theoretical and experimental results, wehave designed microwave circuits presenting specific frequency-dependent impedances tothe junction in order to optimize the performances of our amplifier. This second generationof ICTA samples is fabricated from niobium nitride and provide significantly lower noiseand higher gain.We expect that once fully optimized, such an amplifier, powered by simple DC voltagescould then make measuring microwave signals at the single photon level much easier andallow to deploy many amplifiers on a chip. It could therefore be an important ingredient forqubit readout in large-scale quantum processors., Les amplificateurs paramétriques Josephson (JPA) se sont révélés être un outil indispensablepour l’étude expérimentale de dispositifs quantiques dans le régime micro-onde ; car ilsrajoutent uniquement le minimum de bruit imposé par la mécanique quantique[1]. Cependant,ces amplificateurs sont beaucoup plus difficiles à utiliser et optimiser que leurs homologuesclassiques. Récemment, plusieurs expériences réalisées avec des circuits supraconducteurs,composés d’une jonction Josephson polarisée en tension en série avec un résonateur microonde,ont montré qu’une paire de Cooper peut traverser la barrière de la jonction par effettunnel en émettant un ou plusieurs photons avec une énergie totale de 2e fois la tensionappliquée. Dans cette thèse, nous montrerons qu’un tel circuit permet de mettre en place unamplificateur micro-onde préservant la phase que nous appelons « Amplificateur basé sur letunneling inélastique de paires de Cooper » (ICTA). Il est alimenté par une tension continueet peut fonctionner avec un bruit très proche de la limite quantique.Nous commencerons en présentant le principe du fonctionnement de l’ICTA. Par analogieavec la théorie quantique des JPAs[2], nous avons étudié les performances de cet amplificateurcomme le gain, la bande passante et le bruit. Ensuite, nous présenterons la premièrepreuve expérimentale d’une amplification proche de la limite quantique sans utilisation d’unepompe micro-onde externe, mais simplement d’une tension continue dans une configurationextrêmement simple. Ces mesures ont été faites sur des échantillons avec des jonctionsen aluminium, dénommés ICTA de première génération. Selon nos résultats théoriques etexpérimentaux, nous avons conçu des circuits hyperfréquences où l’impédance présentéeà la jonction dépend de fréquences spécifiques afin d’optimiser les performances de notreamplificateur. Ces échantillons, dénommés ICTA de seconde génération, ont été fabriquésavec du nitrure de niobium. Une amélioration significative du gain et du bruit a été prouvée.Un tel amplificateur, alimenté par une simple tension continue, pourrait rendre la mesurede signaux micro-ondes au niveau du photon unique beaucoup plus faciles et permettred’intégrer plusieurs amplificateurs sur une seule puce. Il pourrait donc être un élémentimportant pour la lecture de qubit dans les processeurs quantiques à grande échelle.

This thesis is devoted to the characterization of crystalline structures for quantum techno-logical applications. It is composed of two parts.In a first project we study the localization transition of one particle in an one-dimensionalartificial quasiperiodic crystal, whose potential depends on the particle position. Weconsider an ultracold atom in an optical lattice, embedded in an optical cavity. Theatom strongly couples to the cavity, leading to a second optical potential. The positionof the atom within the cavity affects the cavity field, thus the atomic motion backactson the potential it is subjected to. For incommensurate wavelengths, we show that thecompetition between the two potentials yields a quasiperiodic potential. We determinethe parameters for which we reproduce the Aubry-André model and discuss the effects ofthe backaction on the localization transition.In the second project we propose a frequency down-conversion scheme to generateTHz radiation using the exciton-phonon coupling in a semiconductor crystal. Our idea isbased on a chain of interactions that are naturally present in a pumped semiconductormicrocavity. We derive the crucial exciton-phonon coupling, starting from the electron-phonon interaction via the deformation potential and taking into account the crystalsymmetry properties. We identify conditions necessary for THz emission, estimate theemission power and show that the exciton-phonon interaction provides a second-ordersusceptibility., Ce manuscrit est consacré à la caractérisation de structures cristallines pour des applicationsde technologie quantique. Il est composé de deux parties.Dans un premier projet, nous étudions la transition d’une particule d’un état étenduà un état localisé dans un cristal artificiel quasipériodique, dont le potentiel dépend dela position de la particule. Nous considérons un atome ultrafroid, confiné par un réseauoptique et incorporé dans une cavité optique. Le dipôle atomique est en interaction forteavec le champ électrique dans la cavité, ce qui mène à un deuxième potentiel optique pourl’atome. La position de l’atome dans la cavité influence notamment le champ intracavité :le mouvement de l’atome a donc un effet rétroactif sur le potentiel dans lequel il est confiné.Pour des longueurs d’onde incommensurables, nous montrons que la compétition entreles deux réseaux optiques donne lieu à un potentiel quasipériodique pour l’atome. Nousdéterminons les paramètres pour lesquels nous reproduisons le modèle Aubry-André etnous discutons les effets de la rétroaction de la cavité sur la transition de localisation.Le deuxième projet est une proposition pour générer une radiation THz, en utilisantle couplage entre excitons et phonons dans un cristal semi-conducteur. Nous proposonsun schéma de conversion de fréquence, basé sur une chaı̂ne d’interactions naturellementprésentes dans une cavité semi-conductrice pompée. La partie cruciale du schéma deconversion de fréquence est l’interaction faible entre des excitons et des phonons transversesoptiques. Nous la dérivons en commençant avec l’interaction électron-phonon via lepotentiel de déformation et en prenant en compte les propriétés de symétrie du cristal.Nous identifions les conditions nécessaires pour générer une radiation THz, nous estimonsla puissance de l’émission et nous montrons que l’interaction entre excitons et phononstransverses optiques fournit une susceptibilité non linéaire d’ordre deux.

This thesis is devoted to the characterization of crystalline structures for quantum technological applications. It is composed of two parts.In a first project we study the localization transition of one particle in an one-dimensional artificial quasiperiodic crystal, whose potential depends on the particle position. We consider an ultracold atom in an optical lattice, embedded in an optical cavity. The atom strongly couples to the cavity, leading to a second optical potential. The position of the atom within the cavity affects the cavity field, thus the atomic motion backacts on the potential it is subjected to. For incommensurate wavelengths, we show that the competition between the two potentials yields a quasiperiodic potential. We determine the parameters for which we reproduce the Aubry-Andr'e model and discuss the effects of the backaction on the localization transition.In the second project we propose a frequency down-conversion scheme to generate THz radiation using the exciton-phonon coupling in a semiconductor crystal. Our idea is based on a chain of interactions that are naturally present in a pumped semiconductor microcavity. We derive the crucial exciton-phonon coupling, starting from the electron-phonon interaction via the deformation potential and taking into account the crystal symmetry properties. We identify conditions necessary for THz emission, estimate the emission power and show that the exciton-phonon interaction provides a second-order susceptibility.; Ce manuscrit est consacré à la caractérisation de structures cristallines pour des applications de technologie quantique. Il est composé de deux parties.Dans un premier projet, nous étudions la transition d'une particule d'un état étendu à un état localisé dans un cristal artificiel quasipériodique, dont le potentiel dépend de la position de la particule. Nous considérons un atome ultrafroid, confiné par un réseau optique et incorporé dans une cavité optique. Le dipôle atomique est en interaction forte avec le champ électrique dans la cavité, ce qui mène à un deuxième potentiel optique pour l'atome. La position de l'atome dans la cavité influence notamment le champ intracavité~: le mouvement de l'atome a donc un effet rétroactif sur le potentiel dans lequel il est confiné. Pour des longueurs d'onde incommensurables, nous montrons que la compétition entre les deux réseaux optiques donne lieu à un potentiel quasipériodique pour l'atome. Nous déterminons les paramètres pour lesquels nous reproduisons le modèle Aubry-André et nous discutons les effets de la rétroaction de la cavité sur la transition de localisation.Le deuxième projet est une proposition pour générer une radiation THz, en utilisant le couplage entre excitons et phonons dans un cristal semi-conducteur. Nous proposons un schéma de conversion de fréquence, basé sur une chaîne d'interactions naturellement présentes dans une cavité semi-conductrice pompée. La partie cruciale du schéma de conversion de fréquence est l'interaction faible entre des excitons et des phonons transverses optiques. Nous la dérivons en commençant avec l'interaction électron-phonon via le potentiel de déformation et en prenant en compte les propriétés de symétrie du cristal. Nous identifions les conditions nécessaires pour générer une radiation THz, nous estimons la puissance de l'émission et nous montrons que l'interaction entre excitons et phonons transverses optiques fournit une susceptibilité non linéaire d'ordre deux.

This presentation is split into two main parts. In the first, we estimate photo-physical constants of titanium doped sapphire from a simple analytical model using a Huang-Rhys theory for the determination of the spectral profile of simple bands and from a realistic hypothesis of superposition of the latter. We define a formula for the total refractive index of Ti:sapphire as a function of dopant concentration. In a second part, we evaluate, according to the verification of a concept, the laser capability without population inversion for a doped crystal with low symmetry. We support our demonstration by establishing a generalized laser threshold condition. This concept would be a technological breakthrough in the field of large doped crystals and has not yet been investigated by the community., Cet exposé est scindé en deux grandes parties. Dans la première, nous estimons des constantes photo-physiques du saphir dopé au titane à partir d'un modèle analytique simple exploitant une théorie de Huang-Rhys pour la détermination du profil spectral des bandes simples et une hypothèse réaliste de superposition de ces dernières. Nous déterminons une formule pour l'indice de réfraction total du Ti:saphir en fonction de la concentration de dopant. Dans une seconde partie, nous évaluons, selon la vérification d'un concept, la capacité de laser sana inversion de populations pour un cristal dopé possédant une basse symétrie. Nous appuyons notre démonstration en établissant une condition de seuil généralisée d'effet laser. Ce concept pourrait être une rupture technologique dans le domaine des grands cristaux dopés et n'a pas encore été investigué par la communauté.

Photon blockade is observed when a two level system is strongly coupled to a cavity thus limiting the occupation number of the cavity mode to zero or one photon. This phenomenon is analogous to the Coulomb blockade effect in mesoscopic physics and has been observed in optics by coupling a single atom or a quantum dot to a cavity. The efficiency of the blockade, as measured by the second order auto-correlation function g2(0) increases with the non-linearity of the system in comparison to the cavity width. In this thesis, we present a theoretical and experimental study of a new blockade mechanism, called "anomalous photon blockade effect", in the microwave domain. This effect appears in photonics systems consisting of two coupled modes, where at least one of the mode is non-linear. In contrast to the standard blockade effect, perfect blockade (g2(0)=0) can be achieved with an arbitrary weak non-linearity strength. In the first part, we present a theoretical study of the anomalous blockade, and we use, in particular, a description in terms of gaussian states. To experimentally observe this effect, we have micro-fabricated two coupled superconductive resonators, where one of the resonator is frequency tunable and non-linear thanks to a SQUID. In the second part, we present the fabrication process and the characterization of our sample. Finally, we present the different techniques that we use to measure the auto-correlation function g2(τ). This measurement allowed us to demonstrate the anomalous blockade effect and to study its various properties as a function of the experimental parameters., Le phénomène de blocage de photon est observé lorsqu'un système à deux niveaux est fortement couplé à une cavité, limitant ainsi le nombre d'occupation des photons dans le mode de la cavité à zéro ou un. Ce phénomène est analogue au blocage de Coulomb en physique mésoscopique et a été observé en optique en couplant un atome unique ou une boîte quantique à une cavité. L'efficacité du blocage, mesurée par la fonction d'autocorrélation du deuxième ordre g2(0) augmente d'autant plus que la non-linéarité du système est grande devant la largeur de la cavité. Ce travail de thèse présente l'étude théorique et expérimentale d'un nouveau phénomène de blocage appelé "phénomène de blocage anormal de photon", dans le régime micro-onde. Ce phénomène apparaît dans un système photonique comprenant deux modes couplés, où au moins un des modes est non-linéaire. Par contraste avec le blocage de photon standard, le blocage anormal permet d'obtenir un blocage parfait (g2(0)=0) pour une non-linéarité arbitrairement faible. Nous présentons les propriétés théoriques du blocage anormal, et notamment sa formulation en termes d'états gaussiens. Afin de mettre en évidence ce phénomène, nous avons réalisé deux résonateurs supraconducteurs couplés, dont l'un est rendu non-linéaire et ajustable en fréquence par l'ajout d'un SQUID. Nous montrons les techniques de fabrication employées et la caractérisation des paramètres de notre échantillon. Enfin, nous présentons les techniques mises en œuvre pour mesurer g2(t). Cette mesure nous a permis de mettre en évidence le phénomène de blocage anormal et d'en étudier les propriétés en fonction des différents paramètres expérimentaux.