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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.

This thesis tackles the time-frequency continuous variables degree of freedom encoding of single photons and examine the formal mathematical analogy with the quadrature continuous variables of the electromagnetic field. We define a new type of qubit which is robust against time-frequency displacement errors. We define a new double-cylinder phase space which is particularly adapted for states which have a translational symmetry. We also study how to build a functional phase space distribution which allows to describe a quantum state with spectral and quadrature continuous variables degrees of freedom.; Cette thèse aborde l’encodage de degrés de liberté continus temps-fréquence de photon uniques. Les similitudes mathématiques avec les quadratures du champ électromagnétique amène à généraliser des protocoles exprimées dans ces variables dans notre encodage. On introduit un nouveau type de qubit robuste contre des erreurs du type déplacement dans l’espace des phases temps-fréquence. Un nouvel espace des phases doublement cylindriques est étudié et est une représentation particulièrement adaptée pour des états ayant une symétrie de translation. On étudie également comment construire une distribution de phase fonctionnelle permettant de décrire un état quantique possédant des degrés de libertés continus spectraux et en quadrature.

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.

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

One of the main issues in the domain of quantum information and communication is the generation, manipulation and detection of several qubits on a single chip. Several approaches are currently investigated for the implementation of qubits on different types of physical supports and a variety of quantum information technologies are under development: for quantum memories, spectacular advances have been done on trapped atoms and ions, while to transmit information, photons are the ideal support thanks to their high speed of propagation and their almost immunity against decoherence. My thesis work has been focused on the conception, fabrication and characterization of a miniaturized semiconductor source of entangled photons, working at room temperature and telecom wavelengths. First the theoretical concepts relevant to understand the work are described (chapter 1). Then the conception and fabrication procedures are given (chapter 2). Chapter 3 presents the optoelectronics characterization of the device under electrical pumping, and chapter 4 the results on the optical losses measurements and the nonlinear optical characterization (second harmonic generation, spontaneous parametric down conversion and joint spectral intensity reconstruction). Chapters 5 and 6 focus on the characterization of the quantum state generated by a passive sample (demonstration of indistinguishability and energy-time entanglement) and its utilization in a multi- user quantum key distribution protocol (polarization entanglement). Finally the work on the first electrically driven photon pairs source emitting in the telecom range and working at room temperature is presented (chapter 7)., Un des plus grands challenges dans le domaine de l’information quantique est la génération, manipulation et détection de plusieurs qubits sur des micro-puces. On assiste ainsi à un véritable essor des technologies pour l’information quantique et pour transmettre l’information, les photons ont un grand avantage sur les autres systèmes, grâce à leur grande vitesse et leur immunité contre la décohérence. Mon travail de thèse porte sur la conception, fabrication et caractérisation d’une source de photons intriqués en matériaux semiconducteurs d’une très grande compacité. Ce dispositif fonctionne à température ambiante, et émet dans la bande de longueurs d’onde télécom. Après une présentation des concepts fondamentaux (chap. 1), le chap. 2 explique la conception et la fabrication des dispositifs. Le chap. 3 présente les caractérisations opto-électroniques des échantillons pompés électriquement, et le chap. 4 les résultats des mesures de pertes et des caractérisations non-linéaires optiques (génération de seconde harmonique, conversion paramétrique spontanée et reconstruction de l’intensité spectrale jointe). Les chap. 5 et 6 se concentrent sur la caractérisation des états quantiques générés par un dispositif passif (démonstration de l’indiscernabilité et de l’intrication en énergie-temps) et leur utilisation dans un protocole de distribution de clés quantiques multi-utilisateurs (intrication en polarisation). Finalement le travail sur le premier dispositif produisant des pairs de photons dans les longueurs d’onde télécoms, injecté électriquement et fonctionnant à température ambiante est présenté (chap. 7).

Multimode squeezing plays an essential role in quantum informationprocessing and quantum metrology. Using optical frequency combs,we generate multi-temporal-mode state from a synchronouslypumped optical parametric oscillator (SPOPO). An on-demandquantum network simulator is developed using the SPOPO andultrafast pulse shaping; up-to-twelve-node cluster states and asix-partite quantum secret sharing protocol are experimentallyemulated with this simulator. Furthermore, frequency resolvedmultipixel detectors are employed, and used to realize aline-shape-eight-node cluster state. We also developed a multimodequantum spectrometer, which is able to exceed the standardquantum limit for measuring manifold parameters of ultrafast pulses., Les états quantiques multimodes sont au coeur des protocoles detraitement quantique de l’information et de métrologie quantique. Àpartir d’un peigne de fréquence optique injectant un oscillateurparamétrique optique pompé en mode synchrone (SPOPO) nousavons généré des états multimodes en temps/fréquence. Unsimulateur quantique est alors mis en place à partir de ce SPOPO et demise en forme d’impulsion, et permet de mettre en évidence de étatsclusters pouvant compter jusque 12 noeuds et un protocole departage de secret quantique à six partenaires. De plus, une détectionmultipixel résolue en fréquence est développée et utilisée pourréaliser un état cluster linéaire à 8 noeuds. Nous avons égalementutilisé cette source pour développer un spectromètre ayant unesensibilité allant au delà de celle imposée par les fluctuations du videquantique.

Ce mémoire présente ma contribution à l'avènement des circuits supraconducteurs comme composant de base des systèmes d'information quantique. Les variables macroscopiques des circuits électriques, telles que la tension et le courant, obéissent aux lois de la mécanique quantique tant qu'elles sont suffisamment découplées de leur environnement. Depuis que les premiers qubits supraconducteurs ont été réalisés il y a 15 ans, leurs temps de cohérence ont augmenté de 5 ordres de grandeur grâce à un meilleur contrôle de l'environnement électromagnétique des jonctions Josephson. Sur ces systèmes remarquables, nous avons réalisé des expériences qui illustrent quelques uns des aspects les plus non classiques de l'information quantique. - Les variables quantiques fluctuent même à température nulle. Ces fluctuations de point zéro imposent à un détecteur d'ajouter au moins un minimum de bruit. Nous explorons les limites quantiques de l'amplification pour des signaux microonde itinérants, et décrivons un circuit supraconducteur concret, le mixeur Josephson, capable d'atteindre cette limite. - Contrairement à l'information classique, l'information quantique peut être stockée de manière délocalisée dans l'espace grâce à l'intrication. Nous décrivons le premier circuit capable d'intriquer deux modes de champ microonde itinérants à différentes fréquences et sur des lignes de transmission séparées. Nous présentons aussi un dispositif capable de stocker un champ microonde intriqué avec un champ propageant. - La mesure d'un système quantique conduit à une réaction sur son état sans équivalent classique. Nous présentons une expérience où la trajectoire de l'état qubit est protégée de la décohérence par rétroaction basée sur la mesure. Cette expérience illustre le rôle central de la réaction d'une mesure quantique pour le contrôle par rétroaction et donc pour la correction quantique d'erreur. - Les mesures faibles fournissent une information partielle sur un système. Comme les mesures quantiques modifient l'état du système, les règles classiques de Bayes doivent être modifiées pour prédire la probabilité de trouver un résultat donné sachant qu'un certain résultat sera trouvé dans une autre mesure future. Nous décrivons une expérience où la fluorescence émise par un qubit est enregistrée dans le temps, ce qui peut être interprété comme une mesure faible et continue du qubit. L'influence de conditions sur les mesures passées et futures est explorée.

In the present PhD work, we focus on a specific class of quantum states of light: the non-Gaussian states. These states have the particularity of exhibiting Wigner functions with some negative values. This quantum feature is a necessary condition to perform some quantum computation task; furthermore it is also useful for various other applications, including quantum communication and metrology. Different strategies can be used to generate these states. Here, we start from Gaussian states produced by optical parametric oscillators in the continuous wave regime, (i.e. single-mode and two-mode squeezed vacuum states). The non-Gaussian feature can only be obtained by non-linear phenomena (over-quadratic Hamiltonian). In our case, the non-linearity is induced by photon-counting-based measurements (also called non-Gaussian measurements). This study is mainly divided into two parts. First, the generation of non-classical states associated with two types of qubit encoding: the single-photon state, used for quantum information with discrete variables, and the coherent state superposition (the so-called optical Schrödinger cat state), used for quantum information with continuous variables. These two states have then been used to perform some quantum information protocols. The first one addresses the problem of single-photon entanglement witness, and the other the generation of entanglement between the two encodings (also called hybrid entanglement)., Dans ce travail de thèse nous nous sommes intéressés à une catégorie spécifique d'états quantiques de la lumière : les états non-gaussiens. Ces états ont la particularité de présenter des fonctions de Wigner à valeurs négatives. Cette propriété est indispensable pour réaliser des opérations de calcul quantique mais trouve aussi des applications variées en communication quantique ou métrologie par exemple. Différentes stratégies peuvent être utilisées pour générer de tels états. Ici, les ressources initiales sont des états dit gaussiens produits par des oscillateurs paramétriques optiques en régime continu (i.e. vide comprimé bi-mode et mono-mode). Le caractère non-gaussien ne peut être obtenu que par des phénomènes non-linéaires (hamiltonien sur-quadratique). Dans notre cas, la non-linéarité est induite par des mesures basées sur le comptage de photon (aussi appelées mesures non-gaussiennes). Cette étude est principalement divisée en deux parties. Tout d'abord, la génération d'états non-classiques correspondants à deux types d'encodages de qubits : le photon unique, utilisé en information quantique dite à variables discrètes, et la superposition d'états cohérents (chat de Schrödinger optique), utilisée en information quantique dite à variables continues. Ces états ont ensuite été utilisés pour mettre en \oe{}uvre deux protocoles d'information quantique. Le premier porte sur un témoin d'intrication en photon unique, l'autre sur la génération d'intrication entre deux types d'encodages (aussi appelée intrication hybride).

In this thesis we study the information transmission through Gaussian quantum channels. Gaussian quantum channels model physical communication links, such as free space communication or optical fibers and therefore, may be considered as the most relevant quantum channels. One of the central characteristics of any communication channel is its capacity. In this work we are interested in the classical capacity, which is the maximal number of bits that can be reliably transmitted per channel use. An important lower bound on the classical capacity is given by the Gaussian capacity, which is the maximal transmission rate with the restriction that only Gaussian encodings are allowed: input messages are encoded in so-called Gaussian states for which the mean field amplitudes are Gaussian distributed.We focus in this work mainly on the Gaussian capacity for the following reasons. First, Gaussian encodings are easily accessible experimentally. Second, the difficulty of studying the classical capacity, which arises due to an optimization problem in an infinite dimensional Hilbert space, is greatly reduced when considering only Gaussian input encodings. Third, the Gaussian capacity is conjectured to coincide with the classical capacity, even though this longstanding conjecture is unsolved until today.We start with the investigation of the capacities of the single-mode Gaussian channel. We show that the most general case can be reduced to a simple, fiducial Gaussian channel which depends only on three parameters: its transmissivity (or gain), the added noise variance and the squeezing of the noise. Above a certain input energy threshold, the optimal input variances are given by a quantum water-filling solution, which implies that the optimal modulated output state is a thermal state. This is a quantum extension (or generalization) of the well-known classical water-filling solution for parallel Gaussian channels. Below the energy threshold the solution is given by a transcendental equation and only the less noisy quadrature is modulated. We characterize in detail the dependence of the Gaussian capacity on its channel parameters. In particular, we show that the Gaussian capacity is a non-monotonous function of the noise squeezing and analytically specify the regions where it exhibits one maximum, a maximum and a minimum, a saddle point or no extrema. Then, we investigate the case of n-mode channels with noise correlations (i.e. memory), where we focus in particular on the classical additive noise channel. We consider memory models for which the noise correlations can be unraveled by a passive symplectic transformation. Therefore, we can simplify the problem to the study of the Gaussian capacity in an uncorrelated basis, which corresponds to the Gaussian capacity of n single-mode channels with a common input energy constraint. Above an input energy threshold the solutions is given by a global quantum water-filling solution, which implies that all modulated single-mode output states are thermal states with the same temperature. Below the threshold the channels are divided into three sets: i) those that are excluded from information transmission, ii) those for which only the less noisy quadrature is modulated, and iii) those for which the quantum water-filling solution is satisfied. As an example we consider a Gauss-Markov correlated noise, which in the uncorrelated basis corresponds to a collection of single-mode classical additive noise channels. When rotating the collection of optimal single-mode input states back to the original, correlated basis the optimal multi-mode input state becomes a highly entangled state. We then compare the performance of the optimal input state with a simple coherent state encoding and conclude that one gains up to 10% by using the optimal encoding.Since the preparation of the optimal input state may be very challenging we consider sub-optimal Gaussian-matrix product states (GMPS) as input states as well. GMPS have a known experimental setup and, though being heavily entangled, can be generated sequentially. We demonstrate that for the Markovian correlated noise as well as for a non-Markovian noise model in a wide range of channel parameters, a nearest-neighbor correlated GMPS achieves more than 99.9% of the Gaussian capacity. At last, we introduce a new noise model for which the GMPS is the exact optimal input state. Since GMPS are known to be ground states of quadratic Hamiltonians this suggests a starting point to develop links between optimization problems of quantum communication and many body physics., Doctorat en Sciences de l'ingénieur, info:eu-repo/semantics/nonPublished

This thesis is concerned with different aspects of quantum information with the continuous variables of quantum states of light. Through the combination of the continuous and discrete descriptions, where the light is either described in terms of quadratures or photons, non-classical quantum states and elementary quantum information protocols have been theoretically studied and experimentally implemented. We have experimentally implemented a quantum superposition of two quasi-classical states of light, a “Schrödinger cat state”, which was used to feed a quantum phase gate. We have analysed the quality of this implementation by using a simple model of the experiment. We have then studied quantum correlations, as captured by the quantum discord, for an important class of states in quantum information. We have compared the precision of our measurements by using the classical and quantum Cramér-Rao bounds. Finally, we have theoretically studied the use of a non-deterministic quantum amplifier in quantum cryptography. This amplifier has the property to amplify quantum states without amplifying their quantum noise. Using this property, we have shown that it is possible to increase the maximum distance of transmission of a secret key, as well as the tolerance to the noise added by the quantum channel.; Cette thèse s’inscrit dans le cadre de l’information quantique avec des variables continues, en utilisant des états quantiques du champ électromagnétique. En combinant les outils propres aux variables discrètes, o`u la lumière est décrite en termes de photons, avec les outils des variables continues, où la lumière est décrite en termes de quadratures, nous pouvons étudier théoriquement et produire expérimentalement des états non-classiques, ainsi que des protocoles élémentaires d’information quantique. Ainsi, nous avons produit expérimentalement un état «chat de Schrödinger», superposition quantique de deux états lumineux quasi-classiques, sur lequel nous avons appliqué une porte quantique introduisant une phase dans la superposition. Nous avons ensuite analysé la qualité de cette porte en utilisant un modèle simple de notre expérience. Nous nous sommes ensuite intéressés aux corrélations quantiques, mesurées par la discorde quantique, pour une classe d’états particulièrement importants en information quantique. Nous avons quantifié la précision de nos mesures en les comparant aux bornes de Cramér-Rao classique et quantique. Enfin, nous avons étudié théoriquement l’utilisation d’un amplificateur quantique non-déterministe en cryptographie quantique. Cet amplificateur possède la propriété de pouvoir amplifier des états quantiques sans en amplifier le bruit quantique associé. Ainsi, nous avons montré qu’il permet une amélioration de la distance maximale de transmission d’une clé secrète, ainsi qu’une amélioration de la résistance au bruit introduit par le canal quantique.

This thesis is concerned with different aspects of quantum information with the continuous variables of quantum states of light. Through the combination of the continuous and discrete descriptions, where the light is either described in terms of quadratures or photons, non-classical quantum states and elementary quantum information protocols have been theoretically studied and experimentally implemented. We have experimentally implemented a quantum superposition of two quasi-classical states of light, a “Schrödinger cat state”, which was used to feed a quantum phase gate. We have analysed the quality of this implementation by using a simple model of the experiment. We have then studied quantum correlations, as captured by the quantum discord, for an important class of states in quantum information. We have compared the precision of our measurements by using the classical and quantum Cramér-Rao bounds. Finally, we have theoretically studied the use of a non-deterministic quantum amplifier in quantum cryptography. This amplifier has the property to amplify quantum states without amplifying their quantum noise. Using this property, we have shown that it is possible to increase the maximum distance of transmission of a secret key, as well as the tolerance to the noise added by the quantum channel.; Cette thèse s’inscrit dans le cadre de l’information quantique avec des variables continues, en utilisant des états quantiques du champ électromagnétique. En combinant les outils propres aux variables discrètes, o`u la lumière est décrite en termes de photons, avec les outils des variables continues, où la lumière est décrite en termes de quadratures, nous pouvons étudier théoriquement et produire expérimentalement des états non-classiques, ainsi que des protocoles élémentaires d’information quantique. Ainsi, nous avons produit expérimentalement un état «chat de Schrödinger», superposition quantique de deux états lumineux quasi-classiques, sur lequel nous avons appliqué une porte quantique introduisant une phase dans la superposition. Nous avons ensuite analysé la qualité de cette porte en utilisant un modèle simple de notre expérience. Nous nous sommes ensuite intéressés aux corrélations quantiques, mesurées par la discorde quantique, pour une classe d’états particulièrement importants en information quantique. Nous avons quantifié la précision de nos mesures en les comparant aux bornes de Cramér-Rao classique et quantique. Enfin, nous avons étudié théoriquement l’utilisation d’un amplificateur quantique non-déterministe en cryptographie quantique. Cet amplificateur possède la propriété de pouvoir amplifier des états quantiques sans en amplifier le bruit quantique associé. Ainsi, nous avons montré qu’il permet une amélioration de la distance maximale de transmission d’une clé secrète, ainsi qu’une amélioration de la résistance au bruit introduit par le canal quantique.

Cette thèse porte sur deux problèmes théoriques d'électrodynamique quantique en circuits supraconducteurs. Nous avons d'abord étudié les conditions d'obtention du couplage fort entre un résonateur et une distribution continue d'émetteurs élargie de façon inhomogène. Le développement de ce formalisme est fortement motivé par les récentes propositions d'utiliser des ensembles de degrés de liberté microscopiques pour réaliser des mémoires quantiques. En effet, ces systèmes bénéficient du couplage collectif au résonateur, tout en conservant les propriétés de relaxation d'un seul émetteur. Nous discutons l'influence de l'élargissement inhomogène sur l'existence et les propriétés de cohérence des pics polaritoniques obtenus dans le régime de couplage fort. Nous constatons que leur cohérence dépend de façon critique de la forme de la distribution et pas uniquement de sa largeur. En tenant compte de l'élargissement inhomogène, nous avons pu simuler avec une grande précision de nombreux résultats expérimentaux pionniers sur un ensemble de centres NV. La modélisation s'est révélée un outil puissant pour obtenir les propriétés des ensembles de spins couplés à un résonateur. Nous proposons également une méthode originale de mesure de l'état de qubits Josephson fondée sur un SQUID DC avec une inductance de boucle élevée. Ce système est décrit par un atome artificiel avec des niveaux d'énergie en forme de diamant où nous définissons les qubits logique et ancilla couplés entre eux par un terme Kerr croisé. En fonction de l'état du qubit logique, l'ancilla est couplée de manière résonante ou dispersive au résonateur, ce qui provoque un contraste important dans l'amplitude du signal micro-onde transmis par le résonateur. Les simulations montrent que cette méthode originale peut être plus rapide et peut aussi avoir une plus grande fidélité que les méthodes actuellement utilisées dans la communauté des circuits supraconducteurs.; This thesis focuses on two problems in circuit quantum electrodynamics. We first investigate theoretically the coupling of a resonator to a continuous distribution of inhomogeneously broadened emitters. Studying this formalism is strongly motivated by recent proposals to use collections of emitters as quantum memories for individual excitations. Such systems benefit from the collective enhancement of the interaction strength, while keeping the relaxation properties of a single emitter. We discuss the influence of the emitters inhomogeneous broadening on the existence and on the coherence properties of the polaritonic peaks. We find that their coherence depends crucially on the shape of the distribution and not only on its width. Taking into account the inhomogeneous broadening allows to simulate with a great accuracy a number of pioneer experimental results on a ensemble of NV centers. The modeling is shown to be a powerful tool to obtain the properties of the spin ensembles coupled to a resonator. We also suggest an original Josephson qubit readout method based on a dc-SQUID with high loop inductance. This system supports a diamond-shape artificial atom where we define logical and ancilla qubits coupled through a cross-Kerr like term. Depending on the logical qubit state, the ancilla is resonantly or dispersively coupled to the resonator, leading to a large contrast in the transmitted microwave signal amplitude. Simulations show that this original method can be faster and have higher fidelity than methods currently used in circuit QED.

Cette thèse porte sur deux problèmes théoriques d'électrodynamique quantique en circuits supraconducteurs. Nous avons d'abord étudié les conditions d'obtention du couplage fort entre un résonateur et une distribution continue d'émetteurs élargie de façon inhomogène. Le développement de ce formalisme est fortement motivé par les récentes propositions d'utiliser des ensembles de degrés de liberté microscopiques pour réaliser des mémoires quantiques. En effet, ces systèmes bénéficient du couplage collectif au résonateur, tout en conservant les propriétés de relaxation d'un seul émetteur. Nous discutons l'influence de l'élargissement inhomogène sur l'existence et les propriétés de cohérence des pics polaritoniques obtenus dans le régime de couplage fort. Nous constatons que leur cohérence dépend de façon critique de la forme de la distribution et pas uniquement de sa largeur. En tenant compte de l'élargissement inhomogène, nous avons pu simuler avec une grande précision de nombreux résultats expérimentaux pionniers sur un ensemble de centres NV. La modélisation s'est révélée un outil puissant pour obtenir les propriétés des ensembles de spins couplés à un résonateur. Nous proposons également une méthode originale de mesure de l'état de qubits Josephson fondée sur un SQUID DC avec une inductance de boucle élevée. Ce système est décrit par un atome artificiel avec des niveaux d'énergie en forme de diamant où nous définissons les qubits logique et ancilla couplés entre eux par un terme Kerr croisé. En fonction de l'état du qubit logique, l'ancilla est couplée de manière résonante ou dispersive au résonateur, ce qui provoque un contraste important dans l'amplitude du signal micro-onde transmis par le résonateur. Les simulations montrent que cette méthode originale peut être plus rapide et peut aussi avoir une plus grande fidélité que les méthodes actuellement utilisées dans la communauté des circuits supraconducteurs., This thesis focuses on two problems in circuit quantum electrodynamics. We first investigate theoretically the coupling of a resonator to a continuous distribution of inhomogeneously broadened emitters. Studying this formalism is strongly motivated by recent proposals to use collections of emitters as quantum memories for individual excitations. Such systems benefit from the collective enhancement of the interaction strength, while keeping the relaxation properties of a single emitter. We discuss the influence of the emitters inhomogeneous broadening on the existence and on the coherence properties of the polaritonic peaks. We find that their coherence depends crucially on the shape of the distribution and not only on its width. Taking into account the inhomogeneous broadening allows to simulate with a great accuracy a number of pioneer experimental results on a ensemble of NV centers. The modeling is shown to be a powerful tool to obtain the properties of the spin ensembles coupled to a resonator. We also suggest an original Josephson qubit readout method based on a dc-SQUID with high loop inductance. This system supports a diamond-shape artificial atom where we define logical and ancilla qubits coupled through a cross-Kerr like term. Depending on the logical qubit state, the ancilla is resonantly or dispersively coupled to the resonator, leading to a large contrast in the transmitted microwave signal amplitude. Simulations show that this original method can be faster and have higher fidelity than methods currently used in circuit QED.

This thesis aims at handling the electromagnetic field at a quantum scale in the area of quantum information processing. For this purpose we mixed tools of discrete variable quantum optics, where light is described in terms of photons, with the continuous approach, which uses the quadratures of the field. This technique enables the production of non-classical states which should be described by Wigner functions that takes negative values. We have generated entangled states from ultra-short light pulses initially independent and which can be separated by a long distance: the entanglement is indeed performed through a low-transmission channel. Then we have experimentally demonstrated and characterized a protocol that non-deterministically amplifies low signals without amplifying the quantum noise, increasing the signal to noise ratio. Furthermore we experimentally implement and compared several measures of the non-gaussianity of a quantum state: this characteristic, which belongs to continuous description of light, is of essential interest for quantum information processing. Finally we develop and test two improvements for our setup. The first one is a femtosecond amplifier for our pulsed laser. It will enable us to obtain better primitive states for our experiments. The second one is an apparatus that can discriminate the number of photon in a pulse, giving more accurate results than the detectors we used up to now that are only able to detect the presence of photons.; L'objectif de cette thèse concerne la manipulation à l'échelle quantique du champ électromagnétique dans le cadre de l'information quantique à variables continues. Pour ce faire nous mélangeons les outils de l'optique quantique à variables discrètes, où la lumière est décrite en termes de photons, avec l'approche continue, traitant des quadratures du champ. Cette technique permet de produire des états non-classiques décrits par des fonctions de Wigner prenant des valeurs négatives. Nous avons pu générer des états intriqués à partir d'impulsions lumineuses initialement indépendantes et pouvant être séparées par une longue distance, l'intrication s'effectuant au travers d'un canal acceptant de fortes pertes. Nous avons ensuite démontré et caractérisé expérimentalement un protocole non-déterministe permettant d'amplifier de faibles signaux sans en amplifier le bruit quantique, augmentant ainsi le rapport signal sur bruit. Puis nous avons mis en œuvre et comparé expérimentalement différentes mesures de non-gaussianité d'un état quantique : ce caractère propre à une description continue de la lumière est d'un intérêt capital pour l'information quantique. Enfin nous avons développé et testé deux améliorations pour notre dispositif. La première est un amplificateur femtoseconde pour notre laser impulsionnel, qui permettra d'obtenir de meilleurs états de départ pour nos expériences. La deuxième est un appareil capable de discriminer le nombre de photon, donnant ainsi des résultats plus précis que ceux des détecteurs dont nous disposons actuellement qui sont uniquement capable de détecter la présence de photons.

This thesis aims at handling the electromagnetic field at a quantum scale in the area of quantum information processing. For this purpose we mixed tools of discrete variable quantum optics, where light is described in terms of photons, with the continuous approach, which uses the quadratures of the field. This technique enables the production of non-classical states which should be described by Wigner functions that takes negative values. We have generated entangled states from ultra-short light pulses initially independent and which can be separated by a long distance: the entanglement is indeed performed through a low-transmission channel. Then we have experimentally demonstrated and characterized a protocol that non-deterministically amplifies low signals without amplifying the quantum noise, increasing the signal to noise ratio. Furthermore we experimentally implement and compared several measures of the non-gaussianity of a quantum state: this characteristic, which belongs to continuous description of light, is of essential interest for quantum information processing. Finally we develop and test two improvements for our setup. The first one is a femtosecond amplifier for our pulsed laser. It will enable us to obtain better primitive states for our experiments. The second one is an apparatus that can discriminate the number of photon in a pulse, giving more accurate results than the detectors we used up to now that are only able to detect the presence of photons.; L'objectif de cette thèse concerne la manipulation à l'échelle quantique du champ électromagnétique dans le cadre de l'information quantique à variables continues. Pour ce faire nous mélangeons les outils de l'optique quantique à variables discrètes, où la lumière est décrite en termes de photons, avec l'approche continue, traitant des quadratures du champ. Cette technique permet de produire des états non-classiques décrits par des fonctions de Wigner prenant des valeurs négatives. Nous avons pu générer des états intriqués à partir d'impulsions lumineuses initialement indépendantes et pouvant être séparées par une longue distance, l'intrication s'effectuant au travers d'un canal acceptant de fortes pertes. Nous avons ensuite démontré et caractérisé expérimentalement un protocole non-déterministe permettant d'amplifier de faibles signaux sans en amplifier le bruit quantique, augmentant ainsi le rapport signal sur bruit. Puis nous avons mis en œuvre et comparé expérimentalement différentes mesures de non-gaussianité d'un état quantique : ce caractère propre à une description continue de la lumière est d'un intérêt capital pour l'information quantique. Enfin nous avons développé et testé deux améliorations pour notre dispositif. La première est un amplificateur femtoseconde pour notre laser impulsionnel, qui permettra d'obtenir de meilleurs états de départ pour nos expériences. La deuxième est un appareil capable de discriminer le nombre de photon, donnant ainsi des résultats plus précis que ceux des détecteurs dont nous disposons actuellement qui sont uniquement capable de détecter la présence de photons.

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

Quantum light sources are promising tools for Quantum information and it's cryptography, teleportation and computing protocols. In particular, triggered single-photon sources as well as sources of photon pairs, which allows heralded single photon emission or polarization-entangled photon pairs production, are of the utmost interest. Quantum sources of light constantly find new applications, such as conditional entanglement of single photon emitters by a joint mesurement on the emitted photon, entanglement purification of EPR beams, or storage of single photons in atomic vapors. My research activities are related to this trend. Most of my work is about single photon sources and sources of photon pairs, and their appliction to quantum cryptogrphy, teleportation and computation. My attention is now going to continuous variables, quantum memories and teleportation of non-classical states, that will probably be one of the next breakthroughs in the field.; L'information quantique et ses protocoles de cryptographie, de téléportation et de calcul ont trouvé dans les sources quantiques de lumière un ensemble d'outils à très fort potentiel. Les sources de photons uniques déclenchées en font évidement partie, tout comme les sources de photons jumeaux, sur lesquelles reposent l'émission de photons annoncés ou la production de paires de photons intriqués en polarisation. Les sources quantiques de lumière ne cessent de trouver de nouvelles applications comme par exemple l'intrication conditionnelle d'émetteurs de photons uniques par la mesure conjointe des photons qu'elles émettent, l'augmentation d'intrication de faisceaux EPR ou encore le stockage de photons uniques dans des vapeurs atomiques.L'ensemble de mes activités de recherche s'inscrit dans ce mouvement. Mes travaux ont porté en grande partie sur les sources de photons uniques et les sources de paires de photons, ainsi que leurs applications à la cryptographie quantique, à la téléportation quantique et au calcul quantique. Mes travaux s'ouvrent maintenant sur la suite: variables continues, mémoires quantiques et téléportation d'états non classiques sont probablement les prochaines étapes.

Ask author if questions: ccouteau@iqc.ca; This PhD work presents the first results of quantum optics, and more specifically of photon statistics, from II-VI semiconductor single quantum dots.The primary goal of this work is to look for a suitable source of indistinguishable single photons for quantum information and particularly for quantum computing.; Ce travail de these presente les premiers resultats d'optique quantique, plus particulierement de statistique de photons, sur des boites quantiques uniques de la famille des semiconducteurs II-VI.La motivation premiere de ces travaux est la recherche d'une source de photons uniques indiscernables adequate pour etre utiliser dans le cadre de l'information quantique, et plus particulierement de l'ordinateur quantique.

This PhD work presents the first results of quantum optics, and more specifically of photon statistics, from II-VI semiconductor single quantum dots.The primary goal of this work is to look for a suitable source of indistinguishable single photons for quantum information and particularly for quantum computing., Ce travail de these presente les premiers resultats d'optique quantique, plus particulierement de statistique de photons, sur des boites quantiques uniques de la famille des semiconducteurs II-VI.La motivation premiere de ces travaux est la recherche d'une source de photons uniques indiscernables adequate pour etre utiliser dans le cadre de l'information quantique, et plus particulierement de l'ordinateur quantique.

Jury composé de : M. Alain ASPECT (Président) M. Nicolas CERF M. Juan-Ariel LEVENSON (Rapporteur) M. Jean-François ROCH (Rapporteur) Mme Rosa TUALLE-BROURI; This work aims at exploiting the quantum properties of light in order to develop new communication devices. Our study is devoted to the quadrature components (quantum continuous variables) of a single mode of the electromagnetic field in the pulsed regime. A quantum key distribution protocol using coherent states has been demonstrated. The experimental set-up is based on laser pulses containing one hundred photons on average, which are modulated in the phase space. For each incoming pulse, the time-resolved homodyne detection samples one value of a particular quadrature component. The experiment yields a net secret key rate of 1.7 Mbis/s for a loss-free line, and 75 kbits/s for a line with 3.1 dB losses. This opens the way for practical high-rate quantum cryptography devices. In order to study the use of quantum specificities such as squeezing and entanglement, we have developed a new source of pulsed squeezed states and entangled states. This source is based on the nonlinear conversions of ultrashort pulses occurring in a thin potassium niobate crystal. Depending on the set-up, the quadrature noise reduction is 2.7 dB below shot noise, while the correlation between the entangled beams is 2.5 dB. We also describe the first observation of a "degaussification" protocol, that maps individual pulses of squeezed vacuum onto non-Gaussian states. This protocol is closely related to an entanglement distillation procedure for continuous variables, which allows to extend the range of quantum key distribution schemes. Finally, we study some optical set-ups allowing for a loophole-free Bell test using continuous variables and efficient homodyne detections.; L'objectif central de cette thèse est d'exploiter les propriétés quantiques du champ électromagnétique pour développer de nouveaux dispositifs de communication. L'étude porte sur les composantes de quadrature (variables quantiques continues) d'un mode impulsionnel du champ lumineux. Une démonstration expérimentale de cryptographie quantique avec des états cohérents a été réalisée. Le dispositif se base sur des impulsions modulées en amplitude et en phase et comportant en moyenne une centaine de photons. Pour chaque impulsion lumineuse, une détection homodyne résolue en temps permet de mesurer une composante de quadrature particulière avec une forte efficacité. Une clé secrète a ainsi été transmise à un débit de 1.7 Mbits/s en l'absence de pertes et 75 kbits/s pour une transmission présentant des pertes de 3.1 dB, ce qui ouvre la voie pour des applications de cryptographie quantique à hauts débits. Afin d'étudier l'utilisation de spécificités quantiques, nous avons développé une source impulsionnelle d'états comprimés et d'états intriqués. Cette source utilise des conversions non-linéaires d'impulsions ultrabrèves intervenant dans un cristal mince de niobate de potassium. Suivant la configuration, la réduction du bruit en quadrature est de 2.7 dB sous le niveau de bruit quantique standard, ou les corrélations entre les quadratures des faisceaux intriqués sont de 2.5 dB. Grâce à ce dispositif, nous avons mis en oeuvre la première expérience de "dégaussification", pour transformer des impulsions de vide comprimé en des états non-gaussiens. Ce protocole est directement lié à la distillation de l'intrication de variables continues, qui permet d'améliorer la portée des dispositifs de cryptographie. Enfin, des schémas sont étudiés pour réaliser des tests complets des inégalités de Bell avec des variables continues mesurées par des détections homodynes.

The aim of this thesis work is to implement a high efficiency quantum memory as part of a generation protocol for quantum states of light, targeting an increase of the generation rate by several orders of magnitude. We show how such an architecture can be used in practice for the generation of key states for quantum optics, as the "optical Schrödinger cat states" (quantum superposition of coherent states with opposite phases) which are an elementary piece for numerous protocols in the field of quantum information. We implement this memory with a high finesse optical cavity, an active device allowing to store/extract a light pulse on demand, and we feed it with single photons from a high-rate source in a synchronized optical cavity. The use of such memory requires a complete knowledge of the physical parameters, such as the phase of the generated quantum states. This led us to develop accurate diagnostic tools. This constitutes a first step towards the real-time manipulation of states encoded on free-propagating light.; L'objectif de ce travail de thèse est de mettre en œuvre une mémoire quantique de haute efficacité dans le cadre d’un protocole de génération d'états quantiques de la lumière, avec pour finalité une augmentation de plusieurs ordres de grandeur du taux de génération de ces états. Nous montrons comment une telle architecture peut être utilisée en pratique pour la génération d’états clés pour l’optique quantique, tels que les états "chats de Schrödinger optiques" (superposition quantique d’états cohérents de phases opposées) qui sont une brique de base pour de nombreux protocoles dans le domaine de l’information quantique. Nous réalisons cette mémoire à l’aide d’une cavité optique de haut facteur de qualité, un dispositif actif permettant d’insérer et d’extraire une impulsion lumineuse à la demande, et nous l’alimentons avec des photons uniques issus d’une source rapide en cavité optique synchronisée. La mise en œuvre d’une telle mémoire nécessite une connaissance complète des paramètres physiques, et notamment de la phase des états quantiques, menant à la mise en place d’outils de diagnostics précis. Il s’agit là d’un premier pas vers la manipulation en temps réel d’états encodés sur la lumière en espace libre.