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This thesis is devoted to the study of reservoir-induced dynamics and reservoir computing in the context of quantum optics, structured along three major axes: (1) the dissipative dynamics of a quantum system in the presence of the environment (modeled as a reservoir); (2) harnessing dissipation as a resource by appropriate design of the reservoir to achieve desired control over a quantum system (reservoir engineering) and (3) exploiting the dynamics of a reservoir itself for information-processing applications (reservoir computing). In the first part, we study a dissipative phase transition in a photonic system subjected to a coherent optical drive. We propose an all-optical technique of tuning the spatial geometry of the system in situ and demonstrate that a first-order dissipative phase transition emerges in a two-dimensional (2D) configuration but not in 1D. We show the experiments validating our theoretical predictions, representing the first experimental demonstration of the role of dimensionality in determining criticality in photonic systems. In the second part, we address the theory of reservoir engineering. We derive the effective dynamics induced by a strongly dissipative single-mode reservoir, and propose a photonic quantum simulator for antiferromagnetic spins by applying the theory. We show that the reservoir is capable of mediating both coherent and dissipative antiferromagneticlike couplings between the simulated spins, and that the dissipative coupling alone can induce frustration in the system. The final part explores the paradigm of reservoir computing in relativistic quantum information. Here, the reservoir refers to a generic physical system with nontrivial response dynamics when subjected to some input, that one can exploit to construct useful representations of the input information. The system studied consists of a quantum detector undergoing relativistic motion inside a cavity, that can be implemented on analog platforms such as circuit QED. We illustrate the proposed reservoir-computing scheme with a supervised classification task via numerical simulation of the system, and show that the relativistic quantum effects bring a considerable enhancement to the performance of the classifier. This shows that one can harness information-processing power from the fundamental laws of physics, providing a first instance of relativity-inspired quantum reservoir computing.; Cette thèse est consacrée à l'étude de la dynamique et l'apprentissage automatique induits par réservoir dans le contexte de l'optique quantique. Elle est structurée autours de trois axes majeurs : (1) la dynamique dissipative d'un système quantique en présence de son environnement (modélisé par un réservoir); (2) le contrôle d'un système quantique par une conception appropriée du réservoir (ingénierie de réservoir) et (3) l'exploitation de la dynamique d'un réservoir lui-même pour traiter de l'information (calcul par réservoir). Dans la première partie, nous étudions une transition de phase dissipative dans un système photonique soumis à un pompage optique cohérent. Nous proposons une technique permettant d'ajuster in situ la géométrie spatiale du système de manière purement optique. Nous montrons l'émergence d'une transition de phase du premier ordre en deux dimensions et son absence en une dimension. Nous présentons les expériences confirmant nos prédictions théoriques, ce qui représente la première démonstration expérimentale du rôle de la dimensionnalité dans l'existence de la criticalité dans des systèmes photoniques. Dans la deuxième partie, nous traitons la théorie de l'ingénierie de réservoir. Nous dérivons la dynamique effective induite par un réservoir fortement dissipatif à un seul mode, et proposons un simulateur photonique pour des spins antiferromagnétiques en appliquant cette théorie. Nous démontrons que le réservoir est capable d'induire des couplages antiferromagnétiques cohérents et dissipatifs entre les spins simulés, et que le couplage dissipatif seul donne lieu à la frustration dans le système. Enfin, nous explorons dans la dernière partie l'apprentissage automatique au moyen de réservoirs dans l'information quantique relativiste. Ici, le réservoir est un système physique générique qui réagit par une dynamique non triviale en réponse à une excitation en entrée. Cette dynamique peut être exploitée pour construire des représentations utiles de l'entrée. Le système étudié comprend un détecteur quantique en mouvement relativiste dans une cavité, que l'on peut implémenter sur des plateformes analogiques comme des circuits supraconducteurs. Nous illustrons le protocole proposé sur un problème de classification par simulation numérique du système, et constatons une augmentation considérable de la performance dans le régime relativiste. Nos résultats constituent un premier exemple du calcul par réservoir quantique inspiré de la relativité, montrant que l'on peut tirer parti des lois fondamentales de la physique pour traiter de l'information.

International audience; Nous rapportons une nouvelle technique de caractérisation basée sur la transformée de Fourier par étirage temporel dispersif, utilisant plusieurs détecteurs à photon unique. Nous montrons que cette approche permet l'analyse d'instabilités spectrales avec une haute résolution, une sensibilité élevée, et une plage dynamique théoriquement illimitée.

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

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

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

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

This thesis is devoted to the study of the coupling of single-photon emitters with photonic nanostructures by using the properties of the near field of a photonic structure in view of the realization of a compact integrated single-photon source for quantum applications. The first part of my thesis work was consecrated to the optimization of perovskites nanocrystals. Although perovskites nanocrystals are very promising single-photon sources, they still need improvements: in this work, I review the main properties of these emitters and present a full characterization of perovskite nanocrystals with improved photo-stability, reduced blinking ad strong antibunching. In the second part of the thesis, I focus on the coupling of quantum emitters with various photonic structures: namely the tapered optical nanofibers and the ion-exchange waveguides. The fabrication method and the optical properties of the nanofibers are described in detail and the coupling of a single perovskite nanocrystal with a nanofiber is achieved, which constitutes a proof of principle of a hybrid integrated single-photon source. Finally, I show how the near field around ion Exchange waveguides can be employed together with near-field polymerizations to trap single-photon emitters onto the waveguides.; Cette thèse est consacrée à l'étude du couplage d'émetteurs de photons uniques avec des nanostructures photoniques en utilisant les propriétés du champ proche d'une structure photonique en vue de la réalisation d'une source à photons uniques intégrée et compacte pour des applications quantiques. La première partie de mon travail de thèse a été consacrée à l'optimisation des nanocristaux de pérovskites. Bien que les nanocristaux de pérovskites soient des sources de photons uniques très prometteuses, ils nécessitent encore des améliorations : dans ce travail, je passe en revue les principales propriétés de ces émetteurs et je présente une caractérisation complète des nanocristaux de pérovskites avec une photo-stabilité améliorée, un clignotement réduit et un fort dégroupement de photons. Dans la deuxième partie de la thèse, je me concentre sur le couplage des émetteurs quantiques avec diverses structures photoniques : à savoir les nanofibres optiques effilées et les guides d'ondes à échange d'ions. La méthode de fabrication et les propriétés optiques des nanofibres sont décrites en détail et le couplage d'un nanocristal de pérovskite unique avec une nanofibre est réalisé, ce qui constitue une preuve de principe d'une source hybride et intégrée de photons uniques. Enfin, je montre comment le champ proche autour des guides d'ondes d'échange d'ions peut être utilisé avec la polymérisation en champ proche pour piéger des émetteurs quantiques sur les guides d'ondes.

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

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

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

This 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.

Quantum dynamics is very sensitive to dimensionality. While two-dimensional electronic systems form Fermi liquids, one-dimensional systems—Tomonaga–Luttinger liquids—are described by purely bosonic excitations, even though they are initially made of fermions. With the advent of coherent single-electron sources, the quantum dynamics of such a liquid is now accessible at the single-electron level.In this PhD work, we study the most general case where the system can be tuned continuously from a clean one-channel Tomonaga– Luttinger liquid to a multi-channel Fermi liquid in a non-chiral system. We use time-resolved measurement techniques to determine the time of flight of a single-electron voltage pulse and extract the collective charge excitation velocity. Analysing the propagation velocity allows to reveal the collective effects that govern the physics in our quasi one-dimensional system. Our detailed modelling of the electrostatics of the sample allows us to construct and understand the excitations of the system in a parameter-free theory. We show that our self-consistent calculations capture well the results of the measurements, validating the construction of the bosonic collective modes from the fermionic degrees of freedom.The presented time control of single-electron pulses at the picosecond level will also be important for the implementation of wave-guide architectures for flying qubits using single electrons. Integrating a leviton source into a wave-guide interferometer would allow to realise single-electron flying qubit architectures similar to those employed in linear quantum optics. Furthermore, our studies pave the way for studying real-time dynamics of a quantum nanoelectronic device such as the measurement of the time spreading or the charge fractionalisation dynamics of the electron wave packet during propagation; La dynamique d'un système quantique est très sensible à la dimensionnalité. Alors que les systèmes électroniques à deux dimensions forment les liquides de Fermi, les systèmes à une dimension - les liquides de Tomonaga – Luttinger - sont décrits par des excitations purement bosoniques, même s’ils sont initialement constitués de fermions. Avec l'avènement de sources cohérentes à un seul électron, la dynamique quantique d'un tel liquide est maintenant accessible au niveau d'un seul électron.Dans ce travail de thèse, nous étudions le cas le plus général où le système peut être réglé en continu d’un liquide à un canal Tomonaga – Luttinger à un liquide de Fermi à plusieurs canaux dans un système non chiral. Nous utilisons des techniques de mesure résolues en temps pour déterminer le temps de vol d'un pulse électronique à un seul électron et extraire la vitesse d'excitation de la charge collective.L'analyse de la vitesse de propagation permet de révéler les effets collectifs qui régissent la physique dans notre système quasi unidimensionnel. Notre modélisation détaillée de l'électrostatique de l'échantillon nous permet de construire et de comprendre les excitations du système dans une théorie sans paramètres. Nous montrons que nos calculs auto-cohérent explique bien les mesures et valident la construction des modes collectifs bosoniques à partir des degrés de liberté fermioniques.Le contrôle temporel présenté des impulsions à un seul électron au niveau de la picoseconde sera également important pour la mise en œuvre d'architectures de guide d'ondes pour les qubits volants utilisant un seul électron. L’intégration d’une source de leviton dans un interféromètre à guide d’ondes permettrait de réaliser des architectures de qubits volants à un électron similaires à celles utilisées en optique quantique linéaire. De plus, nos études ouvrent la voie à l’étude de la dynamique en temps réel d’un dispositif nanoélectronique quantique, telle que la mesure de l’étalement temporel ou de la dynamique de fractionnement de la charge du paquet d’ondes électroniques pendant la propagation.

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

This thesis focuses on the study of interactions between photons guided by an optical nanofiber and arrays of trapped atoms. Our experimental setup consists in a two-color compensated dipole trap located in the evanescent field of an optical nanofiber in a ultra-high vacuum chamber. Cold cesium atoms are trapped in two 1D arrays above and below the nanofiber. An optical depth of over 130 is achieved with only a few thousand atoms. We demonstrate the ability to prepare the trapped atoms in a single Zeeman sub-level, albeit with limited efficiency. This is an important step towards the realization of a long-lived quantum memory with our fibered platform. The main result of this thesis concerns the initialization of a single collective excitation coupled to the nano-waveguide. The excitation is heralded by the detection of a Raman scattered photon in the nanofiber. We are then able to readout the atomic state and retrieve a single photon in the guided mode with an efficiency of up to 25%. This result is the first demonstration of an atomic entangled state preferentially coupled to a waveguide. It is a milestone in the context of the emerging waveguide-QED approach, with applications to quantum networking, quantum non-linear optics and quantum many-body physics.; Cette thèse traite des interactions entre des photons guidés par une nanofibre optique et des réseaux d'atomes piégés. Notre montage expérimental consiste en un piège dipolaire bicolore compensé, généré dans le champ évanescent d'une nanofibre et permettent de piéger des atomes de césium de part et d'autre de la fibre. Une épaisseur optique de plus de 130 est obtenue avec quelques milliers d'atomes seulement. Nous démontrons la capacité de préparer les atomes piégés dans un sous-niveau Zeeman unique, bien qu'avec une efficacité limitée. Cette étape est importante pour la réalisation de mémoires quantiques avec de longs temps de vie avec notre plateforme fibrée. Le résultat principal que nous présentons est la réalisation d'une excitation collective unique dans l'ensemble d'atomes. L'excitation est annoncée par la détection d'un photon émis dans le mode guidé. Nous sommes alors capables de lire l'état atomique et récupérer un photon unique dans le mode guidé avec une efficacité jusqu'à 25%. Ce résultat consiste en une première démonstration d'un état atomique intriqué, couplé préférentiellement à un guide d'onde, une étape importante dans le contexte de l’électrodynamique quantique avec des guides d'ondes.

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

This thesis studies multimode quantum optics, from generation to detection of light. It focuses on three main parts. Multimode squeezed states generation within cavity is studied. More specifically, we take into account general quadratic Hamiltonian, which allows describing experiments involving arbitrary number of modes and pumps within a medium performing four-wave mixing. We describe a generic approach combining Green functions and symplectic matrix decomposition. This general theory is illustrated on specific cases. First, low-dimensional examples are given. Then, a synchronously pumped optical parametric oscillator (SPOPO) is described and studied; it shows a very distinct behavior from that of the SPOPO using second order non-linearity. This work opens way to the realization of quantum frequency combs with ring micro-resonators engraved on silicon. Single-photon detectors are described taking into account temporal degrees of freedom. We give positive-valued measurement operators describing such detectors including realistic imperfections such as timing-jitter, finite efficiency and dark counts. Use of those operators is illustrated on common quantum optics experiments. Finally, we show how time-resolved measurement allows improving the quality of state generated by single-photon heralded source. In the third part we propose a protocol for generating a hybrid state entangling continuous and discrete variables parts, for which the discrete part is time-bin encoded. This scheme is aanalysed in detail with respect to its resilience to experimental imperfections.; Cette thèse étudie l’optique quantique multimode, aussi bien du point de vue de la génération que celui de la détection. Elle s’articule autour de trois volets. Nous étudions la génération de lumière comprimée multimode dans une cavité. Pour cela nous considérons la forme la plus générale de hamiltonien quadratique, permettant entre autres de décrire l’utilisation de plusieurs pompes dans un matériau effectuant du mélange à quatre ondes. Une approche combinant fonctions de Green et décompositions de matrices symplectiques est décrite. Cette théorie générique est appliquée à des cas particuliers. Dans un premier temps, des exemples en basse dimension sont donnés. Ensuite, une configuration d’oscillateur paramétrique optique pompé de manière synchrone (SPOPO) est décrite et étudiée ; les résultats obtenus montrent que ce système a un comportement très différent de celui du SPOPO utilisant une non-linéarité d’ordre 2. Ces travaux ouvrent la voie à la réalisation de peignes de fréquences quantiques avec des micro-résonateurs en anneau gravés sur silicium. Un autre problème examiné est celui de prendre en compte l’information temporelle obtenue lors du clic d’un détecteur de photon unique. Pour cela nous utilisons un formalisme multimodal temporel afin d’expliciter les opérateurs décrivant la mesure. Les principaux défauts des détecteurs réels, dont la gigue temporelle, l’efficacité finie et les coups d’obscurité sont pris en compte. L’utilisation des opérateurs est illustrée par la description d’expériences usuelles de l’optique quantique. Enfin, on montre que la lecture du temps de clic du détecteur permet d’améliorer la qualité de l’état généré par une source de photons annoncés. En troisième partie nous présentons un schéma de génération d’intrication hybride entre variables continues et discrètes, pour laquelle la partie discrète est encodée temporellement. Ce schéma est analysé en détail vis-à-vis de sa résistance aux imperfections expérimentales.

This thesis studies multimode quantum optics, from generation to detection of light. It focuses on three main parts. Multimode squeezed states generation within cavity is studied. More specifically, we take into account general quadratic Hamiltonian, which allows describing experiments involving arbitrary number of modes and pumps within a medium performing four-wave mixing. We describe a generic approach combining Green functions and symplectic matrix decomposition. This general theory is illustrated on specific cases. First, low-dimensional examples are given. Then, a synchronously pumped optical parametric oscillator (SPOPO) is described and studied; it shows a very distinct behavior from that of the SPOPO using second order non-linearity. This work opens way to the realization of quantum frequency combs with ring micro-resonators engraved on silicon. Single-photon detectors are described taking into account temporal degrees of freedom. We give positive-valued measurement operators describing such detectors including realistic imperfections such as timing-jitter, finite efficiency and dark counts. Use of those operators is illustrated on common quantum optics experiments. Finally, we show how time-resolved measurement allows improving the quality of state generated by single-photon heralded source. In the third part we propose a protocol for generating a hybrid state entangling continuous and discrete variables parts, for which the discrete part is time-bin encoded. This scheme is aanalysed in detail with respect to its resilience to experimental imperfections.; Cette thèse étudie l’optique quantique multimode, aussi bien du point de vue de la génération que celui de la détection. Elle s’articule autour de trois volets. Nous étudions la génération de lumière comprimée multimode dans une cavité. Pour cela nous considérons la forme la plus générale de hamiltonien quadratique, permettant entre autres de décrire l’utilisation de plusieurs pompes dans un matériau effectuant du mélange à quatre ondes. Une approche combinant fonctions de Green et décompositions de matrices symplectiques est décrite. Cette théorie générique est appliquée à des cas particuliers. Dans un premier temps, des exemples en basse dimension sont donnés. Ensuite, une configuration d’oscillateur paramétrique optique pompé de manière synchrone (SPOPO) est décrite et étudiée ; les résultats obtenus montrent que ce système a un comportement très différent de celui du SPOPO utilisant une non-linéarité d’ordre 2. Ces travaux ouvrent la voie à la réalisation de peignes de fréquences quantiques avec des micro-résonateurs en anneau gravés sur silicium. Un autre problème examiné est celui de prendre en compte l’information temporelle obtenue lors du clic d’un détecteur de photon unique. Pour cela nous utilisons un formalisme multimodal temporel afin d’expliciter les opérateurs décrivant la mesure. Les principaux défauts des détecteurs réels, dont la gigue temporelle, l’efficacité finie et les coups d’obscurité sont pris en compte. L’utilisation des opérateurs est illustrée par la description d’expériences usuelles de l’optique quantique. Enfin, on montre que la lecture du temps de clic du détecteur permet d’améliorer la qualité de l’état généré par une source de photons annoncés. En troisième partie nous présentons un schéma de génération d’intrication hybride entre variables continues et discrètes, pour laquelle la partie discrète est encodée temporellement. Ce schéma est analysé en détail vis-à-vis de sa résistance aux imperfections expérimentales.

Transport of information through a multimode optical fibre raises challenges when one wants to increase the data traffic using many spatial modes due to modal cross-talk and dispersion. Instead of considering those complex mixing of modes as a detrimental process, in this dissertation, we harness its mode mixing to process quantum optical information. We implement a reconfigurable linear optical network, a fundamental building block for scalable quantum technologies, based on an inverse photonic approach exploiting the technology of wavefront shaping. We experimentally demonstrate manipulation of two-photon quantum interference on various linear optical networks across both spatial and polarization degrees of freedom. In particular, we experimentally show the zero-transmission law in Fourier and Sylvester interferometers, which are used to certificate the degree of indistinguishability of an input state. Moreover, thanks to the ability to implement a non-unitary network, we observe the photon anti-coalescence effect in all output configurations, as well as the realization of a tunable coherent absorption experiment. Therefore, we demonstrate the reconfigurability, accuracy, scalability and robustness of the implemented linear optical networks for quantum information processing. Furthermore, we study the statistical properties of one-and two-photon speckles generated from various ground-truth states of light after propagating through a multimode fibre. These statistical properties of speckles can be used to extract information about the dimensionality, purity, and indistinguishability of an unknown input state of light, therefore allowing for state classification. Our results highlight the potential of complex media combined with wavefront shaping for quantum information processing.; Le transport à haut débit de données à travers des fibres optiques grâce au multiplexage spatial est en pratique limité par la diaphonie modale. Au lieu de considérer ce couplage modal comme une limitation, nous exploitons ici ce mélange de modes comme une ressource. Nous mettons en oeuvre un réseau optique linéaire programmable basé sur le concept de design photonique inverse, exploitant les techniques de mise en forme du front d’onde. Nous démontrons la manipulation d’interférences quantiques à deux photons sur divers réseaux linéaires, comprenant des degrés de liberté spatiaux et de polarisations. En particulier, nous vérifions expérimentalement la « zero transmission law » dans des interféromètres de Fourier et de Sylvester, permettant de quantifier le degré d’indiscernabilité d’un état d’entrée. De plus, grâce à la possibilité de mettre en oeuvre un réseau non unitaire, nous mettons en évidence l’anti-coalescence de photons dans toutes les configurations de sortie, et réalisons une expérience d’absorption cohérente. Nous démontrons ainsi l’aspect reconfigurable de l’implémentation de tels réseaux optiques linéaires dans des fibres multimodes. De plus, nous étudions les propriétés statistiques du speckle à un et à deux photons générés à partir de divers états d’entrée, après propagation dans une fibre multimode. Ces propriétés statistiques du speckle peuvent être utilisées pour extraire des informations sur la dimensionnalité, la pureté et l’indiscernabilité d’un état quantique inconnu, permettant ainsi leur classification. Ce travail met en évidence le potentiel du contrôle de front d’onde en milieux complexes pour le traitement quantique de l’information.

Transport of information through a multimode optical fibre raises challenges when one wants to increase the data traffic using many spatial modes due to modal cross-talk and dispersion. Instead of considering those complex mixing of modes as a detrimental process, in this dissertation, we harness its mode mixing to process quantum optical information. We implement a reconfigurable linear optical network, a fundamental building block for scalable quantum technologies, based on an inverse photonic approach exploiting the technology of wavefront shaping. We experimentally demonstrate manipulation of two-photon quantum interference on various linear optical networks across both spatial and polarization degrees of freedom. In particular, we experimentally show the zero-transmission law in Fourier and Sylvester interferometers, which are used to certificate the degree of indistinguishability of an input state. Moreover, thanks to the ability to implement a non-unitary network, we observe the photon anti-coalescence effect in all output configurations, as well as the realization of a tunable coherent absorption experiment. Therefore, we demonstrate the reconfigurability, accuracy, scalability and robustness of the implemented linear optical networks for quantum information processing. Furthermore, we study the statistical properties of one-and two-photon speckles generated from various ground-truth states of light after propagating through a multimode fibre. These statistical properties of speckles can be used to extract information about the dimensionality, purity, and indistinguishability of an unknown input state of light, therefore allowing for state classification. Our results highlight the potential of complex media combined with wavefront shaping for quantum information processing.; Le transport à haut débit de données à travers des fibres optiques grâce au multiplexage spatial est en pratique limité par la diaphonie modale. Au lieu de considérer ce couplage modal comme une limitation, nous exploitons ici ce mélange de modes comme une ressource. Nous mettons en oeuvre un réseau optique linéaire programmable basé sur le concept de design photonique inverse, exploitant les techniques de mise en forme du front d’onde. Nous démontrons la manipulation d’interférences quantiques à deux photons sur divers réseaux linéaires, comprenant des degrés de liberté spatiaux et de polarisations. En particulier, nous vérifions expérimentalement la « zero transmission law » dans des interféromètres de Fourier et de Sylvester, permettant de quantifier le degré d’indiscernabilité d’un état d’entrée. De plus, grâce à la possibilité de mettre en oeuvre un réseau non unitaire, nous mettons en évidence l’anti-coalescence de photons dans toutes les configurations de sortie, et réalisons une expérience d’absorption cohérente. Nous démontrons ainsi l’aspect reconfigurable de l’implémentation de tels réseaux optiques linéaires dans des fibres multimodes. De plus, nous étudions les propriétés statistiques du speckle à un et à deux photons générés à partir de divers états d’entrée, après propagation dans une fibre multimode. Ces propriétés statistiques du speckle peuvent être utilisées pour extraire des informations sur la dimensionnalité, la pureté et l’indiscernabilité d’un état quantique inconnu, permettant ainsi leur classification. Ce travail met en évidence le potentiel du contrôle de front d’onde en milieux complexes pour le traitement quantique de l’information.

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

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

Silicon photonics is a dynamic research field of integrated optics. It allows to miniaturize numerous optical functionalities such as lasers, electro-optical modulators, routers, detectors, for telecom wavelengths, LIDAR, sensor, metrology or even spectroscopy, all while been able to propose large scale production high precision technologies. On another side, quantum optics suffers from difficulties to scale optical systems, requires extreme stability, perfect alignment, and many bulky optical elements, while solving these issues follows a natural path in integrated photonics. Development of integrated quantum photonics can thus open the door to cheap, powerful, and scalable systems for quantum cryptography, telecoms, and computation. In a significant way, quantum requirements are not the ones of classical circuits with respect to photonic components and circuits. The generation of quantum states indeed requires more than 100dB of pump laser rejection, while being able to manage ultra-low useful optical signals and get rid of on-chip optical noise. In this context, this thesis is dedicated to the study, dimension, realization, and characterization of silicon photonic components and circuits for quantum optics on a chip. The target goal is to generate entangled states in energy-time and manipulate them on chip. The qualification of the quantum properties is also explored to better understand the limitations of the silicon platform in the followed objectives. Another choice of this work is to stay in telecoms wavelength and aligned with the standard channels (ITU grid), to only use off-the-shelf components, all while been CMOS compatible and compliant with standard fabrication process, this to allow the possibility to produce on large scale.; La photonique silicium est un domaine prolifique de l’optique intégrée. Elle permet de miniaturiser de nombreuses fonctionnalités optiques, l’émission laser (en considérant les stratégies d’intégration hybride), la modulation électro-optique, le routage, la détection, pour les télécoms, les LIDAR ou la spectroscopie, la métrologie, les capteurs et laboratoires sur puce, toute en produisant à grande échelle avec une grande précision et à bas coût (grâce au technologies CMOS de la microélectronique). L’optique quantique, quant à elle, souffre d’une grande sensibilité aux vibrations et à l’environnement. Les montages optiques nécessitent stabilité, alignement parfait et un grand nombre d’éléments optiques, ce qui limite son développement à grande échelle. Inversement, tous ces aspects sont naturels en photonique intégrée. Le développement de la photonique quantique est ainsi susceptible de permettre l’implémentation à large échelle de systèmes de clés de cryptage pour les télécoms et le calcul quantique. Les prérequis de la photonique quantique sont globalement plus sévères que ceux de la photonique classique. La génération d’états quantiques nécessite notamment un niveau de réjection de la pompe de plus de 100 dB ; le niveau de bruit photonique ambiant sur la puce est également un facteur à soigner particulièrement dans la mesure où les paires de photons générées par les processus quantiques sont par principe de très faible puissance. Dans ce contexte, cette thèse aborde le développement de composants et de circuits pour la photonique quantique silicium. Le but est de générer des états intriqués en énergie-temps et de pouvoir les manipuler sur une puce. Cela va de la conception à l’utilisation des paires de photons, en passant par la fabrication des circuits intégrés optiques. La qualification des propriétés quantiques est aussi explorée afin de cerner les limitations de la plateforme silicium pour le domaine applicatif visé. L’esprit de ce travail est également de proposer des solutions restantes compatibles avec les canaux de télécommunications standard (ITU), de n’utiliser que des composants fibrés standards pour les connexions à réaliser, tout en restant compatibles avec les techniques de fabrication industrielle des grandes fonderies microélectroniques afin de permettre une future production à grand échelle des circuits photoniques quantiques.

Silicon photonics is a dynamic research field of integrated optics. It allows to miniaturize numerous optical functionalities such as lasers, electro-optical modulators, routers, detectors, for telecom wavelengths, LIDAR, sensor, metrology or even spectroscopy, all while been able to propose large scale production high precision technologies. On another side, quantum optics suffers from difficulties to scale optical systems, requires extreme stability, perfect alignment, and many bulky optical elements, while solving these issues follows a natural path in integrated photonics. Development of integrated quantum photonics can thus open the door to cheap, powerful, and scalable systems for quantum cryptography, telecoms, and computation. In a significant way, quantum requirements are not the ones of classical circuits with respect to photonic components and circuits. The generation of quantum states indeed requires more than 100dB of pump laser rejection, while being able to manage ultra-low useful optical signals and get rid of on-chip optical noise. In this context, this thesis is dedicated to the study, dimension, realization, and characterization of silicon photonic components and circuits for quantum optics on a chip. The target goal is to generate entangled states in energy-time and manipulate them on chip. The qualification of the quantum properties is also explored to better understand the limitations of the silicon platform in the followed objectives. Another choice of this work is to stay in telecoms wavelength and aligned with the standard channels (ITU grid), to only use off-the-shelf components, all while been CMOS compatible and compliant with standard fabrication process, this to allow the possibility to produce on large scale.; La photonique silicium est un domaine prolifique de l’optique intégrée. Elle permet de miniaturiser de nombreuses fonctionnalités optiques, l’émission laser (en considérant les stratégies d’intégration hybride), la modulation électro-optique, le routage, la détection, pour les télécoms, les LIDAR ou la spectroscopie, la métrologie, les capteurs et laboratoires sur puce, toute en produisant à grande échelle avec une grande précision et à bas coût (grâce au technologies CMOS de la microélectronique). L’optique quantique, quant à elle, souffre d’une grande sensibilité aux vibrations et à l’environnement. Les montages optiques nécessitent stabilité, alignement parfait et un grand nombre d’éléments optiques, ce qui limite son développement à grande échelle. Inversement, tous ces aspects sont naturels en photonique intégrée. Le développement de la photonique quantique est ainsi susceptible de permettre l’implémentation à large échelle de systèmes de clés de cryptage pour les télécoms et le calcul quantique. Les prérequis de la photonique quantique sont globalement plus sévères que ceux de la photonique classique. La génération d’états quantiques nécessite notamment un niveau de réjection de la pompe de plus de 100 dB ; le niveau de bruit photonique ambiant sur la puce est également un facteur à soigner particulièrement dans la mesure où les paires de photons générées par les processus quantiques sont par principe de très faible puissance. Dans ce contexte, cette thèse aborde le développement de composants et de circuits pour la photonique quantique silicium. Le but est de générer des états intriqués en énergie-temps et de pouvoir les manipuler sur une puce. Cela va de la conception à l’utilisation des paires de photons, en passant par la fabrication des circuits intégrés optiques. La qualification des propriétés quantiques est aussi explorée afin de cerner les limitations de la plateforme silicium pour le domaine applicatif visé. L’esprit de ce travail est également de proposer des solutions restantes compatibles avec les canaux de télécommunications standard (ITU), de n’utiliser que des composants fibrés standards pour les connexions à réaliser, tout en restant compatibles avec les techniques de fabrication industrielle des grandes fonderies microélectroniques afin de permettre une future production à grand échelle des circuits photoniques quantiques.

A quantum state of light is characterized by its statistics of number of photons. These statistics can change in the presence of coherent phenomena. This PhD focuses both experimentally and theoretically on the propagation of quantum states within a room temperature vapor of metastable helium. First, we show that ultranarrow coherent population oscillations allow to efficiently store a specific quadrature of a light wave. Nevertheless, this protocol cannot be use to store the two quadratures of a light field. Indeed, the propagation conditions deteriorates its statistical properties, forbidding its use for quantum application. Secondly, we show that it is possible to generate twomode squeezed states of light in that system. High amplification can be achieved (9 dB), exploiting the strong nonlinearities enabled by coherent population trapping of a transition, and because of the energy level structure. Finally, we study atomic spin noise transfer to light polarization noise via Faraday effect. These fluctuations, probed by spin noise spectroscopy, show original behaviors that may be useful in another systems.; Un état quantique de lumière est caractérisé par la statistique de son nombre de photons. Lorsque qu'un champ électromagnétique se propage dans un milieu, ses statistiques peuvent être modifiées, notamment en présence de phénomènes cohérents. Cette thèse s'intéresse expérimentalement et théoriquement à la propagation d'états quantiques de lumière dans une vapeur d'hélium métastable à température ambiante. Dans un premier temps, on étudie la propagation de lumière en présence d'oscillations cohérentes de populations ultrafines et montre qu'elles permettent de stocker efficacement une quadrature spécifique d'un champ lumineux. Néanmoins, ce protocole ne permet pas de stocker les deux quadratures d'un mode du champ électromagnétique, et les conditions de propagation dans le milieu dégradent leurs propriétés statistiques, empêchant son utilisation pour des applications quantiques. Ce travail montre ensuite qu'il est possible de générer des états comprimés à deux modes dans ce même système, par mélange à 4 ondes. Les états fortement comprimés (9 dB) peuvent être générés en exploitant les fortes non-linéarités induites par piégeage cohérent de population via une transition optique, ainsi que par la proximité d'une autre transition optique voisine. Enfin, une dernière partie s'intéresse au transfert de bruit par effet Faraday entre les fluctuations de spin atomique du milieu et les fluctuations de polarisation d'un champ lumineux. L'étude de ces fluctuations par spectroscopie de bruit de spin a mis en évidence des comportements originaux qui pourraient par la suite être utilisés dans d'autres milieux.

A quantum state of light is characterized by its statistics of number of photons. These statistics can change in the presence of coherent phenomena. This PhD focuses both experimentally and theoretically on the propagation of quantum states within a room temperature vapor of metastable helium. First, we show that ultranarrow coherent population oscillations allow to efficiently store a specific quadrature of a light wave. Nevertheless, this protocol cannot be use to store the two quadratures of a light field. Indeed, the propagation conditions deteriorates its statistical properties, forbidding its use for quantum application. Secondly, we show that it is possible to generate twomode squeezed states of light in that system. High amplification can be achieved (9 dB), exploiting the strong nonlinearities enabled by coherent population trapping of a transition, and because of the energy level structure. Finally, we study atomic spin noise transfer to light polarization noise via Faraday effect. These fluctuations, probed by spin noise spectroscopy, show original behaviors that may be useful in another systems.; Un état quantique de lumière est caractérisé par la statistique de son nombre de photons. Lorsque qu'un champ électromagnétique se propage dans un milieu, ses statistiques peuvent être modifiées, notamment en présence de phénomènes cohérents. Cette thèse s'intéresse expérimentalement et théoriquement à la propagation d'états quantiques de lumière dans une vapeur d'hélium métastable à température ambiante. Dans un premier temps, on étudie la propagation de lumière en présence d'oscillations cohérentes de populations ultrafines et montre qu'elles permettent de stocker efficacement une quadrature spécifique d'un champ lumineux. Néanmoins, ce protocole ne permet pas de stocker les deux quadratures d'un mode du champ électromagnétique, et les conditions de propagation dans le milieu dégradent leurs propriétés statistiques, empêchant son utilisation pour des applications quantiques. Ce travail montre ensuite qu'il est possible de générer des états comprimés à deux modes dans ce même système, par mélange à 4 ondes. Les états fortement comprimés (9 dB) peuvent être générés en exploitant les fortes non-linéarités induites par piégeage cohérent de population via une transition optique, ainsi que par la proximité d'une autre transition optique voisine. Enfin, une dernière partie s'intéresse au transfert de bruit par effet Faraday entre les fluctuations de spin atomique du milieu et les fluctuations de polarisation d'un champ lumineux. L'étude de ces fluctuations par spectroscopie de bruit de spin a mis en évidence des comportements originaux qui pourraient par la suite être utilisés dans d'autres milieux.

Colloidal semiconductor nanocrystals are fluorescent semiconductors with a nanometric size. Bright at room temperature and chemically synthesized, nanocrystals are interesting candidates for differents applications as lighting, biological labeling or photovoltaic.My experimental work, is part of the development of these emitters by two differents approaches : coupling with plasmonic structures at 4,K and formation of collective emission.First, we studied the coupling between single nanocrystals and a flat gold film in order to decrease the optical losses. To begin we studied the influence of the temperature. With some photoluminescence measurements and some simulations, we show significant decrease of the enhancement of the photoluminescence decay rate at 4,K. This reduction is linked to the decrease of optical losses. Then, we studied the influence of crystallinity of gold. We show again an important reduction of enhancement of the photoluminescence decay rate with crystalline gold compared to amorphous layer.Second, we investigated the optical properties of compact nanocrystal clusters encapsulated in a silica shell. At room temperature, we observed an enhancement of the photoluminescence decay rate through Förster resonance energy transfer (FRET). At 4K, we measured an important variation of the emission dynamic with emergence of two times scales. At short time scale, emission is accelerated and governed by the exciton recombination. At long time scale, the decay is governed by power law showing the emergence of long-lived states.; Les nanocristaux colloïdaux sont des fluorophores semi-conducteurs de taille nanométrique. Fluorescents à température ambiante et synthétisés par voie chimique, ces nanoémetteurs représentent d'excellents candidats pour divers domaines d'application tels que l'éclairage, le marquage biologique ou le photovoltaïque.Mon travail expérimental, s'inscrit dans le développement de ces nanoémetteurs via deux approches différentes : leur couplage avec des nanostructures plasmoniques à 4K et la mise en place de régime d'émission collective.Dans un premier temps, nous avons étudié le couplage de nancoristaux individuels avec des films d'or plan dans le but de réduire les pertes par effet Joule. Tout d'abord, nous nous sommes intéressés à l'influence de la température sur ce couplage. A partir d'expériences de photoluminescence et de simulations numériques effectuées par Gérard Colas des Francs du LCIB, nous avons pu mesurer et simuler une forte diminuation de l'accélération du temps caractéristique d'émission des nanocristaux lorsque la température passe de 300K à 4K. Cette diminution est directement liée à une importante diminution des pertes ohmiques des couches d'or. L'efficacité quantique des nanocristaux est ainsi augementée d'un facteur 3. Ensuite, nous avons étudié l'influence de la cristallinité de l'or sur ce couplage. A nouveau une forte réduction de l'accélération de l'émission des nanocristaux a été mesurée sur or cristallin en comparaison avec des couches d'or amorphe. Ces mesures laissent de nouveau présager une réduction des pertes par effet Joule ainsi qu'une augmentation d'au moins un facteur deux de l'efficacité quantique des nanocristaux.Dans un second temps, nous avons effectué les premières caractérisations d'agrégats de nanocristaux enrobés dans une coquille de silice. A température ambiante, nous avons mis en évidence la présence d'interaction de type FRET entre les nanocristaux émettant dans le bleu et les nanocristaux émettant dans le rouge. Cette interaction permet ainsi une accélération de l'émission globale des agrégats. A 4K, nous avons observé une modification de la dynamique d'émission des agrégats avec l'apparition de deux échelles de temps différentes. Pour les temps courts, la dynamique d'émission est accélérée et est régie par la recombinaison de l'exciton. Pour les temps longs, la dynamique d'émission est régie par une loi de puissance traduisant ainsi l'apparition de temps caractéristiques d'émission extrêmement longs.

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

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

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

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

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

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

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