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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.

In this thesis, I study a cryptographic primitive called quantum key distribution which allows two remote parties to share a secret key, in the presence of an eavesdropper, whose power is only limited by the laws of quantum physics. I focus my study on the implementation and the practical security of continuousvariable protocols. For the first time, I have proposed and studied a detector-based side channel attack on a continuous-variable system : saturation attack. This attack opens a new security loophole that we have characterized experimentally in our laboratory, on a real continuous-variable system. Finally, we have demonstrated experimentally for the first time the feasibility of a continuous-variable system deployment in a Dense Wavelength Division Multiplexing network, where quantum signals coexist with intense classical signals in a same fiber, Dans cette thèse, j’étudie une primitive cryptographique appelée distribution quantique de clés. La distribution quantique de clés permet à deux parties distantes de partager une clé secrète en présence d’une espion, dont la puissance est seulement limité par les lois de la physique quantique. J’ai concentré mon travail de thèse sur la distribution quantique de clés à variables continues et en particulier, sur l’étude pratique d’implémentations. J’ai proposé et étudié théoriquement une attaque par canaux cachés originale, visant les détecteurs : l’attaque par saturation. Nous avons de plus démontré expérimentalement la faisabilité de cette attaque sur un système de la distribution quantique de clés à variables continues dans notre laboratoire. Enfin, nous avons en outre démontré expérimentalement pour la première fois la faisabilité du déploiement d’un système de la distribution quantique de clés à variables continues dans un réseau optique du multiplexage en longueur d’onde dense.

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

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

Electro-optical microscopy is a micrometric quantitative mapping technique of electrical fields and of electro-optical tensor components in a medium. The set-up is a confocal microscope included in an interferometer with homodyne detection used to record and measure weak phase shifts due to Pockels effect. The sample must be transparent, quadratically nonlinear and submitted to an intrinsic or externally applied electric field. This doctoral dissertation introduce the concept of electro-optical microscopy. The realization of the microscope is then detailed. The two dimensionnal electro-optical mapping obtained in a polymer film is discussed. Finally, we demonstrate for the first time a Pockels effect induced phase shift in a doped phospholipidic membrane. Applications perpectives to biological transmembranar potentials are presented. In conclusion, technological difficulties of this application are detailled and solutions are suggested.; La microscopie électro-optique est une nouvelle technique de cartographie quantitative micrométrique des champs électriques et des composantes du tenseur électro-optique d'un milieu. Techniquement, il s'agit de mesurer le déphasage engendré par effet Pockels au moyen d'un microscope confocal inclus dans un interféromètre en détection homodyne. L'échantillon doit être transparent, non linéaire quadratique et soumis à un champ électrique, intrinsèque ou appliqué. Cette thèse présente tout d'abord une étude théorique de la microscopie électro-optique. On y décrit la réalisation pratique du microscope. Les résultats obtenus sur un premier échantillon en couche polymère sont ensuite étudiés et on présente la première mesure de déphasage par effet Pockels dans une membrane phospholipidique dopée. Les perspectives d'applications à des mesures de potentiels transmembranaires sont présentées. Les difficultés technologiques qui seront rencontrées sont détaillées et des solutions sont proposées.

Electro-optical microscopy is a micrometric quantitative mapping technique of electrical fields and of electro-optical tensor components in a medium. The set-up is a confocal microscope included in an interferometer with homodyne detection used to record and measure weak phase shifts due to Pockels effect. The sample must be transparent, quadratically nonlinear and submitted to an intrinsic or externally applied electric field. This doctoral dissertation introduce the concept of electro-optical microscopy. The realization of the microscope is then detailed. The two dimensionnal electro-optical mapping obtained in a polymer film is discussed. Finally, we demonstrate for the first time a Pockels effect induced phase shift in a doped phospholipidic membrane. Applications perpectives to biological transmembranar potentials are presented. In conclusion, technological difficulties of this application are detailled and solutions are suggested., La microscopie électro-optique est une nouvelle technique de cartographie quantitative micrométrique des champs électriques et des composantes du tenseur électro-optique d'un milieu. Techniquement, il s'agit de mesurer le déphasage engendré par effet Pockels au moyen d'un microscope confocal inclus dans un interféromètre en détection homodyne. L'échantillon doit être transparent, non linéaire quadratique et soumis à un champ électrique, intrinsèque ou appliqué. Cette thèse présente tout d'abord une étude théorique de la microscopie électro-optique. On y décrit la réalisation pratique du microscope. Les résultats obtenus sur un premier échantillon en couche polymère sont ensuite étudiés et on présente la première mesure de déphasage par effet Pockels dans une membrane phospholipidique dopée. Les perspectives d'applications à des mesures de potentiels transmembranaires sont présentées. Les difficultés technologiques qui seront rencontrées sont détaillées et des solutions sont proposées.

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 detection of qubit states is an essential element in the realization of a quantum information experiment. In our system, the quantum bit is coded in the internal energy states of a circular Rydberg two-level atom. In this thesis we present a novel technique for the non-demolition state-sensitive detection of Rydberg atoms, based on the dispersive interaction of an atom with a microwave mesoscopic field contained in a high-quality superconducting cavity. The state-dependent atomic index of refraction shifts the field phase, and an homodyne procedure translates the information from the field phase to the intensity. The final field intensity is read out by a mesoscopic atomic sample. This technique is non-destructive, since the detection procedure does not ionize the atom, which is simply projected in the measured internal state. The technique, in addition, entangles the energy state of an atom to the excitation level of a many atoms sample, making it possible to create coherent superpositions of mesoscopic atomic states, which opens new perspectives for decoherence tests. We present the principle of the technique and numerous experimental results, as well as possible schemes of application., La détection des états d'un qubit est un élément essentiel dans la réalisation d'expériences d'information quantique. Dans le système étudié, le bit quantique est codé dans les états d'énergie interne d'un atome de Rydberg circulaire à deux niveaux. Dans ce mémoire nous présentons une nouvelle technique de détection des atomes de Rydberg circulaires basée sur l'interaction dispersive d'un atome avec un champ micro-onde mésoscopique à l'intérieur d'une cavité supraconductrice de très grand facteur de qualité. L'indice de réfraction de l'atome, dépendant de son niveau d'énergie interne, déphase le champ micro-onde, et une procédure de détection homodyne transforme l'information codée dans la phase du champ en une information d'intensité. L'intensité finale du champ est lue par un échantillon mésoscopique d'atomes. Il s'agit d'une technique de détection non destructive, puisque le processus de détection n'ionise pas l'atome, mais le projette simplement dans l'état mesuré. De plus, le processus de détection intrique l'état interne d'un atome au niveau d'excitation d'un ensemble de plusieurs atomes, permettant de créer des superpositions cohérentes d'états atomiques mésoscopiques et ouvrant de nouvelles perspectives pour des tests de décohérence Nous présentons le principe de la technique et de nombreux résultats expérimentaux, ainsi que de possibles schémas d'application.

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.