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Semiconductor's quantum dots has been a fruitful research field for the last 40 years. Artificial-made atoms open a large amount of possibilities. From orbital quantum effect down to spin-polarization studies have been carried on from groups all around the world. DiVicenzo's publication in 1998 pointed out the possibility of encoding quantum computing information in the spin states of charges inside quantum dots. Since then, several demonstrations have shown that this possibility is a reality, even though there are still quite a few stones in the path. Out of the semiconductors used to fabricate quantum dots, Ge is a new candidate that shows strong potential. Among its intrinsic proprieties, we find low hyperfine interaction due to its p-type character of the valence band, strong spin-orbit coupling, which allows a full electrical driving of the spin states, enhanced g-factor and low effective masses. The purpose of this thesis is developing a resilient fabrication recipe to form quantum dots in Ge heterostructures. Several steps of plasma etching, dielectric deposition, gate lithographies and metal evaporation have been probed and optimized. After the recipe was obtained, we proceeded to a mesoscopic characterization of the heterostructure and the quantum devices. Hole-Field Effect Transistors (H-FET), Quantum Point Contacts (QPC), Single Quantum Dots (SQD) and Double Quantum Dots (DQD) are fabricated and tested in this thesis. We probed the viability of the recipe to hots SQD and DQD, and reached the state-of-the-art for the Ge heterostructures quantum device fabrication. This thesis is the foundation for the future research in spin-based devices in Ge heterostructures.; Les points quantiques des semi-conducteurs ont été un domaine de recherche fructueux au cours des 40 dernières années. Les atomes artificiels ouvrent une grande quantité de possibilités. De l'effet quantique orbital jusqu'à la polarisation de spin, des études ont été menées par des groupes du monde entier. La publication de Di Vizinzio en 1998 a souligné la possibilité de coder des informations informatiques quantiques dans les états de spin des charges à l'intérieur des points quantiques. Depuis, plusieurs manifestations ont montré que cette possibilité est une réalité, même s'il reste encore pas mal de cailloux sur le chemin. Parmi les semi-conducteurs utilisés pour fabriquer des boîtes quantiques, Ge est un nouveau candidat qui présente un fort potentiel. Parmi ses propriétés intrinsèques, on trouve une faible interaction hyperfine en raison de son caractère de type p de la bande de valence, un fort couplage spin-orbite, qui permet une commande électrique complète des états de spin, un facteur g amélioré et de faibles masses effectives. L'objectif de cette thèse est de développer une recette de fabrication résiliente pour former des boîtes quantiques dans des hétérostructures de Ge. Plusieurs étapes de gravure plasma, de dépôt diélectrique, de lithographies de grille et d'évaporation de métal ont été sondées et optimisées. Une fois la recette obtenue, nous avons procédé à une caractérisation mésoscopique de l'hétérostructure et des dispositifs quantiques. Des transistors à effet de champ trou (H-FET), des contacts ponctuels quantiques (QPC), des points quantiques simples (SQD) et des points quantiques doubles (DQD) sont fabriqués et testés dans cette thèse. Nous avons sondé la viabilité de la recette aux chauds SQD et DQD, et atteint l'état de l'art pour la fabrication de dispositifs quantiques à hétérostructures Ge. Cette thèse est la base de la recherche future sur les dispositifs basés sur le spin dans les hétérostructures Ge.

The advent of quantum computers capable of solving problems that are untractable on classical computers has motivated the development of new programming languages and tools for quantum computing. However, the current state of the art in quantum programming is still in its infancy. In this thesis, we present a series of novel approaches to different aspects of the quantum compilation process based on the ZX calculus. First, we introduce a new intermediate representation for quantum programs capable of encoding bounded recursion and repeated circuit structures in a compact way, based on families of the Scalable extension to the ZX calculus. We then present a compilation algorithm for hybrid circuits containing both quantum and classical gates, based on the pure circuit optimization by Duncan et al. Finally, we define the problem of detecting sections of a quantum circuit that can translated to classical logic, and introduce an heuristic algorithm to solve it.; L'avènement des ordinateurs quantiques capables de résoudre des problèmes irréalisables sur des ordinateurs classiques a motivé le développement de nouveaux langages et outils de programmation pour l'informatique quantique. Cependant, l'état de l'art actuel en matière de programmation quantique n'en est qu'à ses débuts. Dans cette thèse, nous présentons une série d'approches novatrices de différents aspects du processus de compilation quantique basé sur le calcul ZX. Tout d'abord, nous introduisons une nouvelle représentation intermédiaire pour les programmes quantiques capable d'encoder la récursion bornée et les structures de circuits répétés de manière compacte, basée sur les familles de l'extension Scalable du calcul ZX. Nous présentons ensuite un algorithme de compilation pour les circuits hybrides contenant à la fois des portes quantiques et classiques, basé sur l'optimisation de circuits purs de Duncan et al. Enfin, nous définissons le problème de la détection des sections de circuits quantiques qui peuvent être traduites en logique classique, et nous introduisons un algorithme heuristique pour le résoudre.

The purpose of this thesis is to investigate the properties of non-linear lattices of microwave resonators.The resonators where realized in granular Aluminum, a disordered superconductor with high kinetic inductance,which allowed us to obtain modes with a high quality factor (up to 3 10⁵) and non-linearities in the 10 kHz range.We develloped a framework to compute parameters of lattices with capacitive coupling and used it to design two samples. One sample with a rectangle geometry as well as a second sample with a Lieb geometry leading to a flat band.We presented the theory of disordered superconductor and specifically of granular aluminium. We measured non-linear single resonator made using granular aluminium inductances and verified the scaling law of their non-linearity over multiple orders of magnitude.We discuss the thermalization processes in systems with Kerr interaction and presented the priniciple of classical wave condensation in 3D and 2D lattices.We computed the Kerr tensor for the rectangle lattice sample designed in the first chapter. We simulatedthe equation of motion of the amplitude of its modes and showed that the equation leads to a condensation process.We measure the transmission of both the Lieb and rectangle sample. We then quantify the nonlinear processes in the lattice by measuring the selfand cross Kerr interaction as well as four wave mixing processes in the rectange lattice.We present preliminary results on the dynamical response of the rectangle lattice towards thermalization .These results underline the potential of lattices of many superconducting resonators to simulate non-linear Hamiltonians with many degrees of freedom., Le but de cette thèse est d'étudier les propriétés des réseaux non-linéaires de résonateurs micro-ondes.Les résonateurs ont été réalisés en aluminium granulaire, un supraconducteur désordonné à forte inductance cinétique, ce qui nous a permis d'obtenir des résonateurs avec un facteur de qualité élevé (jusqu'à 3 10⁵) et des non-linéarités jusqu'à 10 kHz.Nous avons développé un cadre pour calculer les paramètres de réseaux avec couplage capacitif et l'avons utilisé pour concevoir deux échantillons. Un échantillon comprenant une géométrie rectangle ainsi qu'un deuxième échantillon présentant une géométrie Lieb conduisant à une bande plate.Nous avons présenté la théorie du supraconducteur désordonné et plus particulièrement de l'aluminium granulaire. Nous avons mesuré un résonateur unique non-linéaire fabriqué à l'aide d'inductances granulaires en aluminium et vérifié la loi d'échelle de leur non-linéarité sur plusieurs ordres de grandeur.Nous discutons des processus de thermalisation dans les systèmes avec interaction de Kerr et avons présenté le principe de la condensation d'onde classique dans les réseaux 3D et 2D.Nous avons calculé le tenseur de Kerr pour l'échantillon de réseau rectangle conçu dans le premier chapitre. Nous avons simulé.l'équation de mouvement de l'amplitude de ses modes et a montré que l'équation conduit à un processus de condensation.Nous mesurons la transmission de l'échantillon de Lieb et du rectangle. Nous quantifions ensuite les processus non linéaires dans le réseau en mesurant les interactions de Kerr ainsi que les processus de mélange d'ondes dans le réseau rectangle.Nous présentons des résultats préliminaires sur la réponse dynamique du réseau rectangle et sa thermalisation.Ces résultats soulignent le potentiel des réseaux de résonateurs supraconducteurs pour simuler des systèmes non-linéaire à nombreux degrés de liberté.

Quantum technologies constitute a major area of interest with real issues leading to new disruptive applications. Their mastery will give their designers a definite advantage, whether in the fields of communications, health, security, energy, space, the environment, etc. The United States, China, Europe, India and many other countries are opening research programs and promote investments with a view to acquiring certain technological sovereignty. My previous paper briefly exposed quantum technologies. In this new paper, after a reminder of the strategic context, the application domains of quantum computing, with some examples in the defense and security sectors, are presented. Elements of analysis of existing investments and ecosystems are presented. The images or figures in the article are the property of their cited authors. References are given at the end of each chapter., Les technologies quantiques constituent un domaine d'intérêt majeur aux enjeux réels conduisant à de nouvelles applications disruptives. Leur maîtrise donnera un avantage certain à leurs concepteurs que ce soit dans les domaines des communications, de la santé, de la sécurité, de l'énergie, du spatial, de l'environnement, etc. Les Etats-Unis, la Chine, l'Europe, l'Inde et bien d'autres pays ouvrent des programmes de recherche et favorisent les investissements en vue d'acquérir une souveraineté technologique certaine. Mon précédent article avait exposé brièvement les technologies quantiques. Dans ce nouveau papier, après un rappel du contexte stratégique, les domaines applicatifs du quantique, avec quelques exemples dans les secteurs de la défense et de la sécurité, sont exposés. Des éléments d'analyse des investissements et des écosystèmes existants sont présentés. Les images ou les figures de l'article sont la propriété de leurs auteurs cités. Les références sont données en fin de chaque chapitre. Abstract Quantum technologies constitute a major area of interest with real issues leading to new disruptive applications. Their mastery will give their designers a definite advantage, whether in the fields of communications, health, security, energy, space, the environment, etc. The United States, China, Europe, India and many other countries are opening research programs and promote investments with a view to acquiring certain technological sovereignty. My previous paper briefly exposed quantum technologies. In this new paper, after a reminder of the strategic context, the application domains of quantum computing, with some examples in the defense and security sectors, are presented. Elements of analysis of existing investments and ecosystems are presented. The images or figures in the article are the property of their cited authors. References are given at the end of each chapter.

We show that the values of certain physical constants verify a geometry of which the Planck length and the Planck time are the central constants. We interpret this property of Planck length and Planck time by a quantum-gravitational conception of the position. This conception contains the relativistic conception as approximation and shows how both a quantum and gravitational nature of the Galilean referential can so far be imperceptibly neglected.; Nous montrons que les valeurs de certaines constantes physiques vérifient une géométrie dont la longueur de Planck et le temps de Planck sont les constantes centrales. Nous interprétons cette propriété de la longueur de Planck et du temps de Planck par une conception quanto-gravitationnelle de la grandeur position. Cette conception contient la conception relativiste comme cas limite et montre comment une nature à la fois quantique et gravitationnelle des référentiels galiléens peut être jusqu'à présent imperceptiblement négligée.

La trilogie narrative de Rachid Mimouni fait ressortir des nuances interprétatives multiples, se réclamant d’une pensée complexe qui englobe plusieurs dimensions : linguistique, identitaire, culturelle, idéologique, historique. L’héritage traditionnel et l’adstrat français se combinent pour donner naissance à une littérature riche, fracturée, mais ambivalente, infusée de saveurs variées, qui se forge des moyens adéquats d’expression d’une vision moderne et somme toute unitaire., Rachid Mimouni's narrative trilogy brings out multiple interpretative nuances, claiming a complex thought that embraces several dimensions: linguistic, identity, cultural, ideological, historical. Traditional heritage and the French adstratum combine to give birth to a rich, fractured, but ambivalent literature, infused with varied flavors, which forges the adequate means of expression of a modern yet unitary vision.

Given the European and global context, the international scientific and technological competition, there are challenges that our society, where the exchange of information is omnipresent, must meet. These are the issues regarding quantum technologies. The countries which master them will have an undeniable strategic advantage in the fields of molecular medicine, new materials, carbon dioxide storage, etc. States, industrial giants, private and academic research consortia are investing massively in fundamental research or breakthrough innovation projects in the communication, computing, simulation, cryptography, metrology and other sectors. quantum sensors. This non-exhaustive article comments on economic and societal issues, describes the state of research, etc. It presents some reminders of quantum mechanics, necessary elements of technology and presents some current and future applications. It offers elements of foresight. Images or figures are the property of their authors cited as the source. For more information, bibliographical references and links to the websites of organizations and institutions are provided., Compte-tenu du contexte européen et mondial, de la compétition scientifique et technologique internationale, il existe des défis que notre société, où l’échange d’informations est omniprésent, doit relever. Il s’agit des enjeux concernant les technologies quantiques. Les pays qui les maîtriseront, auront un avantage stratégique indéniable dans les domaines de la médecine moléculaire, des nouveaux matériaux, du stockage du dioxyde de carbone, etc. Des Etats, des géants industriels, des consortiums privés et académiques de recherche investissent massivement dans des projets de recherche fondamentale ou d’innovation de rupture dans les secteurs de la communication, du calcul, de la simulation, de la cryptographie, de la métrologie et des capteurs quantiques. Cet article non exhaustif commente les enjeux économiques et sociétaux, décrit l’état des recherches, etc. Il expose quelques rappels de mécanique quantique, des éléments de technologie nécessaires et présente quelques applications actuelles et futures. Il offre des éléments de prospective. Les images ou les figures sont la propriété de leurs auteurs cités comme source. Pour en savoir plus, des références bibliographiques et des liens vers les sites d’organismes et d’institutions sont indiqués.

This HDR manuscript is about my research work at ONERA devoted to the development of a cold atom gravimeter allowing measurements from a boat or an airplane. This instrument is based on the acceleration measurement of a gas of cold atoms in free fall by an atom interferometry technique. Unlike conventional onboard gravimeters, this quantum technology allows absolute measurements and thus provides a considerable advantage for gravimetric campaigns where the regular calibrations required for conventional sensors impose significant constraints. In 2006, at the beginning of my research activity at ONERA, there were only atom gravimeter laboratory experiments.My research activity focused on developments allowing the use of this instrument on a mobile carrier. We therefore worked on the miniaturization, reliability and environmental resistance of the sensor and in particular the development of fiber laser systems, the study of an atomic interferometer using Bloch oscillations and the work on hybridization with classical sensors. Thanks to these developments, we have realized a prototype gravimeter and tested it successfully on ships and planes, demonstrating better measurement precisions than conventional sensors. On the strength of this experience, my research project aims to develop other cold atom inertial sensors (accelerometer, gyroscope) and thus to create an atomic inertial unit.; Ce manuscrit d’habilitation à diriger les recherches porte sur mes travaux de recherches à l’ONERA consacrés au développement d’un gravimètre à atomes froids permettant de réaliser des mesures depuis un bateau ou un avion. Cet instrument est basé sur la mesure d’accélération d’un gaz d’atomes froids en chute libre par une technique d’interférométrie atomique. Contrairement aux gravimètres embarquables classiques, cette technologie quantique permet de fournir des mesures absolues et procure ainsi un avantage considérable pour des campagnes gravimétriques où les calibrations régulières nécessaires aux capteurs classiques imposent des contraintes importantes. En 2006, au début de mon activité de recherche à l’ONERA, il y avait uniquement des expériences de laboratoire de gravimètrie atomique.Mon activité de recherche a porté sur les développements permettant d’utiliser cet instrument sur un porteur mobile. Nous avons donc travaillé sur la miniaturisation, la fiabilisation et la tenue en environnement du capteur avec en autre le développement de systèmes lasers fibrés, l’étude d’un interféromètre atomique utilisant les oscillations de Bloch et des travaux sur l’hybridation avec des capteurs classiques. Grâce à ces développements, nous avons réalisé un prototype de gravimètre et l’avons testé avec succès sur bateau et avion démontrant des précisons de mesure meilleures que les capteurs classiques. Fort de cette expérience, mon projet de recherche vise à développer d’autres capteurs inertiels à atomes froids (accéléromètre, gyromètre) et ainsi de réaliser une centrale inertielle atomique.

This HDR manuscript is about my research work at ONERA devoted to the development of a cold atom gravimeter allowing measurements from a boat or an airplane. This instrument is based on the acceleration measurement of a gas of cold atoms in free fall by an atom interferometry technique. Unlike conventional onboard gravimeters, this quantum technology allows absolute measurements and thus provides a considerable advantage for gravimetric campaigns where the regular calibrations required for conventional sensors impose significant constraints. In 2006, at the beginning of my research activity at ONERA, there were only atom gravimeter laboratory experiments.My research activity focused on developments allowing the use of this instrument on a mobile carrier. We therefore worked on the miniaturization, reliability and environmental resistance of the sensor and in particular the development of fiber laser systems, the study of an atomic interferometer using Bloch oscillations and the work on hybridization with classical sensors. Thanks to these developments, we have realized a prototype gravimeter and tested it successfully on ships and planes, demonstrating better measurement precisions than conventional sensors. On the strength of this experience, my research project aims to develop other cold atom inertial sensors (accelerometer, gyroscope) and thus to create an atomic inertial unit.; Ce manuscrit d’habilitation à diriger les recherches porte sur mes travaux de recherches à l’ONERA consacrés au développement d’un gravimètre à atomes froids permettant de réaliser des mesures depuis un bateau ou un avion. Cet instrument est basé sur la mesure d’accélération d’un gaz d’atomes froids en chute libre par une technique d’interférométrie atomique. Contrairement aux gravimètres embarquables classiques, cette technologie quantique permet de fournir des mesures absolues et procure ainsi un avantage considérable pour des campagnes gravimétriques où les calibrations régulières nécessaires aux capteurs classiques imposent des contraintes importantes. En 2006, au début de mon activité de recherche à l’ONERA, il y avait uniquement des expériences de laboratoire de gravimètrie atomique.Mon activité de recherche a porté sur les développements permettant d’utiliser cet instrument sur un porteur mobile. Nous avons donc travaillé sur la miniaturisation, la fiabilisation et la tenue en environnement du capteur avec en autre le développement de systèmes lasers fibrés, l’étude d’un interféromètre atomique utilisant les oscillations de Bloch et des travaux sur l’hybridation avec des capteurs classiques. Grâce à ces développements, nous avons réalisé un prototype de gravimètre et l’avons testé avec succès sur bateau et avion démontrant des précisons de mesure meilleures que les capteurs classiques. Fort de cette expérience, mon projet de recherche vise à développer d’autres capteurs inertiels à atomes froids (accéléromètre, gyromètre) et ainsi de réaliser une centrale inertielle atomique.

After years of academic development, the circuit quantum electrodynamics is entering the age of applications. This thesis was realized in this context of creating tools to bridge the gap between an astounding academic quantum system, superconducting circuits, and a grand goal, the universal quantum computer. A likely blueprint for quantum processors consists in the assembly of a large number of elementary modules arranged in a network.In this experimental thesis, a possible node for such a network, the quantum node, was developed and fabricated using state-of-the-art techniques for 2D superconducting microwave circuits. This node was first used to implement a novel sequential readout method for a superconducting qubit. This experiment, first proposed in 2013 by Sete et al., potentially allows for faster, more accurate read out of superconducting qubits. The read out of qubits is one of the several bottlenecks limiting the development of fault-tolerant superconducting quantum computers, which made this project both useful as a demonstration of the quantum node and for applications. This novel readout method achieves readout performances close to state-of-the-art of superconducting qubit readout even though the chip was not optimized for that purpose.During this work, we also contributed to two other experiments engineering quantum measurement and dissipation with superconducting circuits. First, a dedicated circuit was developed to demonstrate a new form of quantum measurement: the multiplexed photon number measurement. In that experiment led by A. Essig and Q. Ficheux, a superconducting transmon quantum bit is read out at multiple frequencies simultaneously to extract more than one bit of information about the number of photons contained in a microwave resonator coupled to that quantum bit.Second, we contributed to the experimental demonstration of the exponential suppression of bit-flips in a qubit encoded in a Schrödinger Cat state of a microwave mode. This experiment led by R. Lescanne and Z. Leghtas, demonstrates the improvement by a factor 300 of the lifetime of a qubit thanks to the autonomous error correction realized through the engineering of the dissipation of a microwave mode.; Après des années de développement académique, l’électrodynamique quantique en circuit entre dans l’ère des applications. Cette thèse a été réalisée dans une volonté de créer des outils pour faire le lien entre une curiosité académique quantique, les circuits supraconducteurs, et un objectif majeur, l’ordinateur quantique universel. Une architecture vraisemblable de processeur quantique consiste à connecter en réseau un grand nombre de modules élémentaires. Lors de cette thèse expérimentale, le noeud d’un tel réseau, le quantum node, a été développé et fabriqué grâce aux techniques de l’état de l’art des circuits imprimés quantiques microonde. Ce circuit a été utilisé pour réaliser pour la première fois une méthode de lecture séquentielle d’un qubit supraconducteur. Cette méthode, proposée en 2013 par Sete et al., permettrait une lecture plus rapide et plus précise des qubits supraconducteurs. La lecture des qubits est l’un des obstacles majeurs limitant le développement d’ordinateurs quantiques universels sans erreur, ce qui rend ce projet autant intéressant pour sa mise en oeuvre inédite du quantum node que pour ses applications. Cette nouvelle méthode de lecture atteint des performances proches de l’état de l’art alors même que le circuit n’était pas optimisé pour cette fin. Lors de cette thèse, nous avons aussi contribué à deux autres expériences d’optique quantique microonde, détaillées ici. Un circuit dédié a été développé pour démontrer une nouvelle forme de mesure quantique : la mesure multiplexée du nombre de photons. Dans cette expérience, menée par A. Essig et Q. Ficheux, un qubit supraconducteur est lu simultanément à plusieurs fréquences pour extraire plus d’un bit d’information à la fois à propos du nombre de photons contenus dans un résonateur microonde couplé à un qubit. Enfin, nous avons contribué à la démonstration expérimentale de la suppression exponentielle des bit-flips dans un qubit encodé dans un état de chat de Schrödinger d’un mode microonde. Cette expérience, menée par R. Lescanne et Z. Leghtas, démontre une augmentation par un facteur 300 du temps de vie du qubit grâce à la correction d’erreur quantique autonome réalisée grâce à l’ingénierie de la dissipation d’un mode microonde.

After years of academic development, the circuit quantum electrodynamics is entering the age of applications. This thesis was realized in this context of creating tools to bridge the gap between an astounding academic quantum system, superconducting circuits, and a grand goal, the universal quantum computer. A likely blueprint for quantum processors consists in the assembly of a large number of elementary modules arranged in a network.In this experimental thesis, a possible node for such a network, the quantum node, was developed and fabricated using state-of-the-art techniques for 2D superconducting microwave circuits. This node was first used to implement a novel sequential readout method for a superconducting qubit. This experiment, first proposed in 2013 by Sete et al., potentially allows for faster, more accurate read out of superconducting qubits. The read out of qubits is one of the several bottlenecks limiting the development of fault-tolerant superconducting quantum computers, which made this project both useful as a demonstration of the quantum node and for applications. This novel readout method achieves readout performances close to state-of-the-art of superconducting qubit readout even though the chip was not optimized for that purpose.During this work, we also contributed to two other experiments engineering quantum measurement and dissipation with superconducting circuits. First, a dedicated circuit was developed to demonstrate a new form of quantum measurement: the multiplexed photon number measurement. In that experiment led by A. Essig and Q. Ficheux, a superconducting transmon quantum bit is read out at multiple frequencies simultaneously to extract more than one bit of information about the number of photons contained in a microwave resonator coupled to that quantum bit.Second, we contributed to the experimental demonstration of the exponential suppression of bit-flips in a qubit encoded in a Schrödinger Cat state of a microwave mode. This experiment led by R. Lescanne and Z. Leghtas, demonstrates the improvement by a factor 300 of the lifetime of a qubit thanks to the autonomous error correction realized through the engineering of the dissipation of a microwave mode.; Après des années de développement académique, l’électrodynamique quantique en circuit entre dans l’ère des applications. Cette thèse a été réalisée dans une volonté de créer des outils pour faire le lien entre une curiosité académique quantique, les circuits supraconducteurs, et un objectif majeur, l’ordinateur quantique universel. Une architecture vraisemblable de processeur quantique consiste à connecter en réseau un grand nombre de modules élémentaires. Lors de cette thèse expérimentale, le noeud d’un tel réseau, le quantum node, a été développé et fabriqué grâce aux techniques de l’état de l’art des circuits imprimés quantiques microonde. Ce circuit a été utilisé pour réaliser pour la première fois une méthode de lecture séquentielle d’un qubit supraconducteur. Cette méthode, proposée en 2013 par Sete et al., permettrait une lecture plus rapide et plus précise des qubits supraconducteurs. La lecture des qubits est l’un des obstacles majeurs limitant le développement d’ordinateurs quantiques universels sans erreur, ce qui rend ce projet autant intéressant pour sa mise en oeuvre inédite du quantum node que pour ses applications. Cette nouvelle méthode de lecture atteint des performances proches de l’état de l’art alors même que le circuit n’était pas optimisé pour cette fin. Lors de cette thèse, nous avons aussi contribué à deux autres expériences d’optique quantique microonde, détaillées ici. Un circuit dédié a été développé pour démontrer une nouvelle forme de mesure quantique : la mesure multiplexée du nombre de photons. Dans cette expérience, menée par A. Essig et Q. Ficheux, un qubit supraconducteur est lu simultanément à plusieurs fréquences pour extraire plus d’un bit d’information à la fois à propos du nombre de photons contenus dans un résonateur microonde couplé à un qubit. Enfin, nous avons contribué à la démonstration expérimentale de la suppression exponentielle des bit-flips dans un qubit encodé dans un état de chat de Schrödinger d’un mode microonde. Cette expérience, menée par R. Lescanne et Z. Leghtas, démontre une augmentation par un facteur 300 du temps de vie du qubit grâce à la correction d’erreur quantique autonome réalisée grâce à l’ingénierie de la dissipation d’un mode microonde.

We develop a method of quantization of the electromagnetic field interacting with passive media on one hand, and active (plasmonic) media on the other hand. This method relies on the construction of a Hamiltonian structure compatible with the Maxwell equations, and then on a principle of correspondence and the definition of a Fock space of quantum states. We use the results of the quantum theory to study the propagation of photons in dielectric environments and the emission of single plasmons., Nous développons une méthode de quantification du champ électromagnétique en interaction linéaire avec les milieux passifs d'une part, et les milieux actifs (plasmoniques) d'autre part. Cette méthode repose sur la construction d'une structure Hamiltonienne compatible avec les équations de Maxwell, puis sur un principe de correspondence et la définition d'un espace de Fock des états quantiques. Nous utilisons les résultats de la théorie quantique pour étudier la propagation de photons dans des environnements diéléctriques et l'émission de plasmons uniques.

Error correction is the set of techniques used in order to store, process and transmit information reliably in a noisy context. The classical theory of error correction is based on encoding classical information redundantly. A major endeavor of the theory is to find optimal trade-offs between redundancy, which we try to minimize, and noise tolerance, which we try to maximize. The quantum theory of error correction cannot directly imitate the redundant schemes of the classical theory because it has to cope with the no-cloning theorem: quantum information cannot be copied. Quantum error correction is nonetheless possible by spreading the information on more quantum memory elements than would be necessary. In quantum information theory, dilution of the information replaces redundancy since copying is forbidden by the laws of quantum mechanics. Besides this conceptual difference, quantum error correction inherits a lot from its classical counterpart. In this PhD thesis, we are concerned with a class of quantum error correcting codes whose classical counterpart was defined in 1961 by Gallager [Gal62]. At that time, quantum information was not even a research domain yet. This class is the family of low density parity check (LDPC) codes. Informally, a code is said to be LDPC if the constraints imposed to ensure redundancy in the classical setting or dilution in the quantum setting are local. More precisely, this PhD thesis focuses on a subset of the LDPC quantum error correcting codes: the homological quantum error correcting codes. These codes take their name from the mathematical field of homology, whose objects of study are sequences of linear maps such that the kernel of a map contains the image of its left neighbour. Originally introduced to study the topology of geometric shapes, homology theory now encompasses more algebraic branches as well, where the focus is more abstract and combinatorial. The same is true of homological codes: they were introduced in 1997 by Kitaev [Kit03] with a quantum code that has the shape of a torus. They now form a vast family of quantum LDPC codes, some more inspired from geometry than others. Homological quantum codes were designed from spherical, Euclidean and hyperbolic geometries, from 2-dimensional, 3-dimensional and 4- dimensional objects, from objects with increasing and unbounded dimension and from hypergraph or homological products. After introducing some general quantum information concepts in the first chapter of this manuscript, we focus in the two following ones on families of quantum codes based on 4-dimensional hyperbolic objects. We highlight the interplay between their geometric side, given by manifolds, and their combinatorial side, given by abstract polytopes. We use both sides to analyze the corresponding quantum codes. In the fourth and last chapter we analyze a family of quantum codes based on spherical objects of arbitrary dimension. To have more flexibility in the design of quantum codes, we use combinatorial objects that realize this spherical geometry: hypercube complexes. This setting allows us to introduce a new link between classical and quantum error correction where classical codes are used to introduce homology in hypercube complexes., La mémoire quantique est constituée de matériaux présentant des effets quantiques comme la superposition. C’est cette possibilité de superposition qui distingue l’élément élémentaire de mémoire quantique, le qubit, de son analogue classique, le bit. Contrairement à un bit classique, un qubit peut être dans un état différent de l’état 0 et de l’état 1. Une difficulté majeure de la réalisation physique de mémoire quantique est la nécessité d’isoler le système utilisé de son environnement. En effet l’interaction d’un système quantique avec son environnement entraine un phénomène appelé décohérence qui se traduit par des erreurs sur l’état du système quantique. Dit autrement, à cause de la décohérence, il est possible que les qubits ne soient pas dans l’état dans lequel il est prévu qu’ils soient. Lorsque ces erreurs s’accumulent le résultat d’un calcul quantique a de grandes chances de ne pas être le résultat attendu. La correction d’erreur quantique est un ensemble de techniques permettant de protéger l’information quantique de ces erreurs. Elle consiste à réaliser un compromis entre le nombre de qubits et leur qualité. Plus précisément un code correcteur d’erreur permet à partir de N qubits physiques bruités de simuler un nombre plus petit K de qubits logiques, c’est-à-dire virtuels, moins bruités. La famille de codes la plus connue est sans doute celle découverte par le physicien Alexei Kitaev: le code torique. Cette construction peut être généralisée à des formes géométriques (variétés) autres qu’un tore. En 2014, Larry Guth et Alexander Lubotzky proposent une famille de code définie à partir de variétés hyperboliques de dimension 4 et montrent que cette famille fournit un compromis intéressant entre le nombre K de qubits logiques et le nombre d’erreurs qu’elle permet de corriger. Dans cette thèse, nous sommes partis de la construction de Guth et Lubotzky et en avons donné une version plus explicite et plus régulière. Pour définir un pavage régulier de l’espace hyperbolique de dimension 4, nous utilisons le groupe de symétrie de symbole de Schläfli {4, 3, 3, 5}. Nous en donnons la représentation matricielle correspondant au modèle de l’hyperboloïde et à un hypercube centré sur l’origine et dont les faces sont orthogonales aux quatre axes de coordonnée. Cette construction permet d’obtenir une famille de codes quantiques encodant un nombre de qubits logiques proportionnel au nombre de qubits physiques et dont la distance minimale croît au moins comme N0.1. Bien que ces paramètres soient également ceux de la construction de Guth et Lubotzky, la régularité de cette construction permet de construire explicitement des exemples de taille raisonnable et d’envisager des algorithmes de décodage qui exploitent cette régularité. Dans un second chapitre nous considérons une famille de codes quantiques hyperboliques 4D de symbole de Schläfli {5, 3, 3, 5}. Après avoir énoncé une façon de prendre le quotient des groupes correspondant en conservant la structure locale du groupe, nous construisons les matrices de parité correspondant à des codes quantiques ayant 144, 720, 9792, 18 000 et 90 000 qubits physiques. Nous appliquons un algorithme de Belief Propagation au décodage de ces codes et analysons les résultats numériquement. Dans un troisième et dernier chapitre nous définissons une nouvelle famille de codes quantiques à partir de cubes de dimension arbitrairement grande. En prenant le quotient d’un cube de dimension n par un code classique de paramètres [n, k, d] et en identifiant les qubits physiques avec les faces de dimension p du polytope quotient ainsi défini, on obtient un code quantique. Cette famille de codes quantiques a l’originalité de considérer des quotients par des codes classiques. En cela elle s’éloigne de la topologie et appartient plutôt à la famille des codes homologiques.

En absence de champ magnétique, le mouvement quadratiquement intégrable en trois dimensions d'une particule classique ou quantique soumise à un potentiel scalaire peut être caractérisé à l'aide du Hamiltonien et de deux intégrales de mouvement quadratiques en composantes de la quantité de mouvement. Il existe alors onze types de tels systèmes intégrables, chacun correspondant à un système de coordonnées dans lequel la séparation des variables dans l'équation de Hamilton-Jacobi ou de Schrödinger est possible. On trouve alors, dans chaque cas, une forme plus explicite pour chacune des intégrales de mouvement ainsi que pour le potentiel scalaire. Il semble logique de s'intéresser à l'influence d'un champ magnétique pour chacune des situations. Il s'agit alors de postuler les mêmes types d'intégrales de mouvement trouvées pour chacun des types de mouvement, ajouter un potentiel vecteur au Hamiltonien et refaire le travail de classification. Ce mémoire s'intéresse particulièrement au cas des coordonnées cylindriques. Il est à noter qu'avec la présence d'un champ magnétique, les intégrales ne garantissent pas la séparation complète des variables, mais une séparation partielle est possible dans plusieurs cas., In absence of a magnetic field, the quadratically integrable three-dimensional motion of a classical or quantum particle subject to a scalar potential can be characterized by the Hamiltonian and two integrals of motion which are quadratic in the components of momentum. There exist eleven types of such integrable systems, each corresponding to a system of coordinates in which separation of variables in the Hamilton-Jacobi or Schrödinger equation is possible. In each case, it is then possible to find a more explicit form for each of the integrals of motion and for the scalar potential. It seems logical to look at the influence of a magnetic field for each of these situations. The process consists of postulating the same type of integrals of motion previously found for each type of motion, add a vector potential to the Hamiltonian and redo the classification work. This master's thesis will mostly treat the case of cylindrical coordinates. It is important to note that in the presence of a magnetic field, these integrals do not guarantee a complete separation of variables, but a partial separation is possible in many cases.

In the last 25 years there were several reports on quantum-optics-like experiments that were performed with electrons.The progress is this young field of research brought up original techniques to trap, displace and manipulate electrons in solid-state devices.These advances opened up new prospects to study fascinating quantum mechanical phenomena such as tunneling or entanglement with electrons.Due to the controllability that is demanded in possible implementations of quantum logic circuits, it is now a particularly appealing idea to perform electron quantum optics experiments with single flying electrons.In this thesis we address two related, but conceptually different, electron-quantum-optics experiments at the single-particle level.All of the experiments that were conducted in the course of this thesis were performed at cryogenic temperatures with Schottky-gate defined devices in AlGaAs/GaAs heterostructures.In a first experiment, we perform a Mach--Zehnder type electron interference experiment in the ballistic transport regime.Forming a large quantum dot in one of the interferometer branches, we study the phase shift in the wave function of a resonantly transmitted electron.In the course of our experimental investigations, we find signatures of a transmission behaviour which reflect the internal symmetries of the quantum dot eigenstates.Our measurements shed light on the long-standing question about a universal transmission phase behaviour in large quantum dots.We thus set an important milestone towards a comprehensive understanding of resonant transmission of single flying electrons through quantum dots.In a second experiment, we go beyond the ballistic transport regime.We employ surface acoustic waves to transport a single electron between surface-gate defined quantum dots of a tunnel-coupled circuit of transport channels.In this course, we develop two essential building blocks to partition and couple single flying electrons in such a sound-driven circuit.By exceeding a single-shot transfer efficiency of 99 %, we show that a sound-driven quantum electronic circuit is feasible on a large scale.Our results pave the way for the implementation of quantum logic operations with flying electron qubits that are surfing on a sound wave.; Au cours des 25 dernières années, il n'y a eu que quelques rapports sur des expériences de type optique quantique avec des électrons.Les progrès réalisés dans ce récent domaine de recherche ont permis de mettre au point des techniques originales pour piéger, déplacer et manipuler les électrons dans des dispositifs à l'état solide.Ces progrès ouvrent de nouvelles perspectives pour l'étude de phénomènes quantiques fascinants tels que l'effect tunnel ou l'intrication avec les électrons.En raison de la contrôlabilité exigée dans les implémentations possibles de circuits logiques quantiques, il est maintenant particulièrement intéressant de réaliser des expériences d'optique quantique électronique avec des électrons volants uniques.Dans cette thèse, nous abordons deux expériences liées, mais conceptuellement différentes, d'optique quantique électronique au niveau de la particule unique.Toutes les expériences menées dans le cadre de cette thèse ont été réalisées à des températures cryogéniques avec des dispositifs définis par Schottky-gates dans des hétérostructures AlGaAs/GaAs.Tout d'abord, nous effectuons une expérience d'interférence d'électrons de type Mach-Zehnder dans le régime de transport balistique.En formant un grand point quantique dans l'une des branches de l'interféromètre, nous étudions le déphasage de la fonction d'onde d'un électron transmis de façon résonnante.Au cours de nos mesures, nous trouvons des signatures d'un comportement de transmission qui reflète les symétries internes des états propres des boîtes quantiques.Nos résultats mettent en lumière la question de longue date d'un comportement de phase de transmission universelle dans des boîtes quantiques en grand taille.Nous avons ainsi posé un jalon important vers une compréhension globale de la transmission par résonance d'électrons volants simples par des boîtes quantiques.Dans une deuxième expérience, nous allons au-delà du régime de transport balistique.Nous utilisons des ondes acoustiques de surface pour transporter un seul électron entre les boîtes quantiques définies par la grille de surface dans un circuit couplé par l'effect tunnel.Nous développons deux blocs de base essentiels pour partitionner et coupler les électrons volants simples dans un tel circuit piloté par le son.En dépassant une efficacité de transfert simple de 99 %, nous montrons qu'un circuit électronique quantique piloté par le son est réalisable à grande échelle.Nos résultats ouvrent la voie à des opérations de logique quantique avec des qubits d'électrons volants qui surfent sur une onde acoustique.

In the last 25 years there were several reports on quantum-optics-like experiments that were performed with electrons.The progress is this young field of research brought up original techniques to trap, displace and manipulate electrons in solid-state devices.These advances opened up new prospects to study fascinating quantum mechanical phenomena such as tunneling or entanglement with electrons.Due to the controllability that is demanded in possible implementations of quantum logic circuits, it is now a particularly appealing idea to perform electron quantum optics experiments with single flying electrons.In this thesis we address two related, but conceptually different, electron-quantum-optics experiments at the single-particle level.All of the experiments that were conducted in the course of this thesis were performed at cryogenic temperatures with Schottky-gate defined devices in AlGaAs/GaAs heterostructures.In a first experiment, we perform a Mach--Zehnder type electron interference experiment in the ballistic transport regime.Forming a large quantum dot in one of the interferometer branches, we study the phase shift in the wave function of a resonantly transmitted electron.In the course of our experimental investigations, we find signatures of a transmission behaviour which reflect the internal symmetries of the quantum dot eigenstates.Our measurements shed light on the long-standing question about a universal transmission phase behaviour in large quantum dots.We thus set an important milestone towards a comprehensive understanding of resonant transmission of single flying electrons through quantum dots.In a second experiment, we go beyond the ballistic transport regime.We employ surface acoustic waves to transport a single electron between surface-gate defined quantum dots of a tunnel-coupled circuit of transport channels.In this course, we develop two essential building blocks to partition and couple single flying electrons in such a sound-driven circuit.By exceeding a single-shot transfer efficiency of 99 %, we show that a sound-driven quantum electronic circuit is feasible on a large scale.Our results pave the way for the implementation of quantum logic operations with flying electron qubits that are surfing on a sound wave.; Au cours des 25 dernières années, il n'y a eu que quelques rapports sur des expériences de type optique quantique avec des électrons.Les progrès réalisés dans ce récent domaine de recherche ont permis de mettre au point des techniques originales pour piéger, déplacer et manipuler les électrons dans des dispositifs à l'état solide.Ces progrès ouvrent de nouvelles perspectives pour l'étude de phénomènes quantiques fascinants tels que l'effect tunnel ou l'intrication avec les électrons.En raison de la contrôlabilité exigée dans les implémentations possibles de circuits logiques quantiques, il est maintenant particulièrement intéressant de réaliser des expériences d'optique quantique électronique avec des électrons volants uniques.Dans cette thèse, nous abordons deux expériences liées, mais conceptuellement différentes, d'optique quantique électronique au niveau de la particule unique.Toutes les expériences menées dans le cadre de cette thèse ont été réalisées à des températures cryogéniques avec des dispositifs définis par Schottky-gates dans des hétérostructures AlGaAs/GaAs.Tout d'abord, nous effectuons une expérience d'interférence d'électrons de type Mach-Zehnder dans le régime de transport balistique.En formant un grand point quantique dans l'une des branches de l'interféromètre, nous étudions le déphasage de la fonction d'onde d'un électron transmis de façon résonnante.Au cours de nos mesures, nous trouvons des signatures d'un comportement de transmission qui reflète les symétries internes des états propres des boîtes quantiques.Nos résultats mettent en lumière la question de longue date d'un comportement de phase de transmission universelle dans des boîtes quantiques en grand taille.Nous avons ainsi posé un jalon important vers une compréhension globale de la transmission par résonance d'électrons volants simples par des boîtes quantiques.Dans une deuxième expérience, nous allons au-delà du régime de transport balistique.Nous utilisons des ondes acoustiques de surface pour transporter un seul électron entre les boîtes quantiques définies par la grille de surface dans un circuit couplé par l'effect tunnel.Nous développons deux blocs de base essentiels pour partitionner et coupler les électrons volants simples dans un tel circuit piloté par le son.En dépassant une efficacité de transfert simple de 99 %, nous montrons qu'un circuit électronique quantique piloté par le son est réalisable à grande échelle.Nos résultats ouvrent la voie à des opérations de logique quantique avec des qubits d'électrons volants qui surfent sur une onde acoustique.

La non-philosophie de François Laruelle est considérée comme un phénomène appartenant à la tendance moderne de la déterritorialisation de la philosophie. Deux stratégies opposées de la déterritorialisation utilisée par Laruelle, la déterritorialisation en science et en non-sémantique (le discours avec des significations déconnectées de ses éléments) sont reconstruites et analysées.

À partir d’une réflexion sur l’ouvrage du philosophe de la science David Wallace, The Emergent Multiverse, ce chapitre met en question les rapports entre philosophie et science et leur mutation dans la pensée récente de Laruelle. Par rapport à cet exemple tiré des débats théoriques en physique quantique, la discussion essaie de comprendre l’usage singulier que fait Laruelle de la conceptualité et terminologie quantique.

L’un des acquis de la philosophie non-standard est de mettre en évidence dans l’organisation de la recherche le rôle de disciplines qui ont un rôle de sous-détermination. Il y a des disciplines qui n’ajoutent rien positivement, mais sont nécessaires pour l’organisation de la recherche et la conception de ses objets. L’objectif de cette contribution est de montrer la nécessité de l’usage sous-déterminant de disciplines et de manifester ainsi de nouvelles alliances non-positivistes entre elles.

During this doctoral work, we have designed, fabricated and characterised gallium arsenide (GaAs) optomechanical disk nano-resonators, in a cryogenic environment. These disks which bear highly coupled (g 0 ≈ MHz) GHz mechanical modes and telecom wavelength (λ ≈ 1550 nm) optical modes, show high mechanical (> 10^4 ) and optical (> 10^5 ) quality factors at 3 K. However, despite these state of the art performances, the optomechanical sideband cooling mechanism of the mechanical motion is not efficient enough to reach the quantum groundstate (less than 1 phonon in average). To determine the limiting factors, we have presented a systematical study of the mechanical dissipation channels and shown that two-level systems (TLS) at the surface of the material play a major role. We have also studied pulsed optical excitation of our resonators, in order to avoid absorption and thermal phenomena which limit the optomechanical cooling. We thus have underlined two main properties of the pulsed excitation : average injected optical power, and repetition period of the pulses with respect to the relaxation times of our systems. Alternative optical control schemes of the mechanical nanoresonators have emerged, which could be coupled to ultra-cold operation (T << 1 K).; Au cours de ce travail de thèse nous avons conçu, fabriqué et caractérisé des nano-résonateurs optomécaniques à disques en arséniure de gallium (GaAs), en milieu cryogénique. Ces disques qui supportent à la fois des modes mécaniques vibrant au GHz et des modes optiques résonant à λ ≈ 1500 nm fortement couplés (g 0 ≈ MHz), présentent des facteurs de qualité élevés (> 10^4 pour la mécanique et > 10^5 pour l’optique, à 3 K). Malgré ces performances à l’état de l’art, le refroidissement optomécanique par bande latérale du mouvement n’est pas suffisamment efficace pour atteindre l’état fondamental quantique (moins d’1 phonon en moyenne). Nous avons étudié systématiquement les sources de dissipation mécanique qui limitent le refroidissement, et mis en évidence l’impact des systèmes à deux niveaux à la surface des nano-résonateurs. Nous avons également étudié l’excitation optique pulsée de nos systèmes, pour contourner les phénomènes absorptifs et thermiques qui contrecarrent le refroidissement, et fait ressortir deux propriétés importantes de l’excitation pulsée : la puissance optique moyenne injectée, et la période de répétition des pulses par rapport aux temps de relaxation du système. Des schémas alternatifs de contrôle optique des nano-résonateurs mécaniques émergent, qui pourraient être combinés avec une opération à ultra-basse température (<< 1 K).

During this doctoral work, we have designed, fabricated and characterised gallium arsenide (GaAs) optomechanical disk nano-resonators, in a cryogenic environment. These disks which bear highly coupled (g 0 ≈ MHz) GHz mechanical modes and telecom wavelength (λ ≈ 1550 nm) optical modes, show high mechanical (> 10^4 ) and optical (> 10^5 ) quality factors at 3 K. However, despite these state of the art performances, the optomechanical sideband cooling mechanism of the mechanical motion is not efficient enough to reach the quantum groundstate (less than 1 phonon in average). To determine the limiting factors, we have presented a systematical study of the mechanical dissipation channels and shown that two-level systems (TLS) at the surface of the material play a major role. We have also studied pulsed optical excitation of our resonators, in order to avoid absorption and thermal phenomena which limit the optomechanical cooling. We thus have underlined two main properties of the pulsed excitation : average injected optical power, and repetition period of the pulses with respect to the relaxation times of our systems. Alternative optical control schemes of the mechanical nanoresonators have emerged, which could be coupled to ultra-cold operation (T << 1 K).; Au cours de ce travail de thèse nous avons conçu, fabriqué et caractérisé des nano-résonateurs optomécaniques à disques en arséniure de gallium (GaAs), en milieu cryogénique. Ces disques qui supportent à la fois des modes mécaniques vibrant au GHz et des modes optiques résonant à λ ≈ 1500 nm fortement couplés (g 0 ≈ MHz), présentent des facteurs de qualité élevés (> 10^4 pour la mécanique et > 10^5 pour l’optique, à 3 K). Malgré ces performances à l’état de l’art, le refroidissement optomécanique par bande latérale du mouvement n’est pas suffisamment efficace pour atteindre l’état fondamental quantique (moins d’1 phonon en moyenne). Nous avons étudié systématiquement les sources de dissipation mécanique qui limitent le refroidissement, et mis en évidence l’impact des systèmes à deux niveaux à la surface des nano-résonateurs. Nous avons également étudié l’excitation optique pulsée de nos systèmes, pour contourner les phénomènes absorptifs et thermiques qui contrecarrent le refroidissement, et fait ressortir deux propriétés importantes de l’excitation pulsée : la puissance optique moyenne injectée, et la période de répétition des pulses par rapport aux temps de relaxation du système. Des schémas alternatifs de contrôle optique des nano-résonateurs mécaniques émergent, qui pourraient être combinés avec une opération à ultra-basse température (<< 1 K).

This manuscript summarizes the work of a thesis on Anderson's localization and transport of ultra-cold matter waves in disordered media. This is an experimental work aiming to study the Anderson transition separating the energy states of a quantum particle placed in a disordered potential into two phases: localized states and diffusive states.First, we will recall some fundamental concepts about wave localization and how such phenomenon is linked with some interference effects. Then, we will give a global description of the experimental set-up allowing to prepare the ultra-cold atomic samples used as a source of quantum matter waves, and to generate the speckle field used as disordered potential for the atoms.At the end of this introductory work, the concepts of localization introduced previously will be applied to the transport of cold atoms in a speckle field. A brief state of the art of cold-atom experiments dealing with the Anderson transition will allow us to set the limits of these works in terms of energy control on the atomic states. These limitations will then motivate the implementation of a new experimental "spectroscopic" method allowing a complete control of the energy of the atoms placed in disorder.The concept of spectral function will then be presented as a fundamental tool for characterizing energy states and for calibrating the energy reliability of the spectroscopic method. Finally, the experimental results on the measurement of spectral functions by this new spectroscopic method will show that it would be indeed possible to study the Anderson transition with a much higher energy resolution than the previous experiments.; Ce mémoire résume les travaux d'une thèse portant sur le transport et la localisation d'Anderson d'ondes de matière ultra-froide en milieu désordonné. C'est un travail expérimental visant à l'étude de la transition d'Anderson séparant les états d'énergie d'une particule quantique placée dans un potentiel désordonné selon deux phases : des états localisés, et des états diffusifs.Dans un premier temps, on rappellera les concepts fondamentaux permettant de comprendre les effets de localisation des ondes, et notamment leur interprétation en terme d'interférences. Ensuite, on donnera une description globale du dispositif expérimental permettant de préparer les nuages d'atomes ultra-froids servant de source d'ondes quantiques de matière, et de générer la figure de tavelures optique (speckle en anglais) jouant le rôle de potentiel désordonné pour les atomes.A l'issue de ce travail introductif, les notions de localisation introduites précédemment seront appliquées au transport d'atomes froids dans un speckle. Un bref état de l'art des expériences d'atomes froids portant sur la transition d'Anderson permettra de dessiner les limites en terme de contrôle de l'énergie des états peuplés par les atomes. Ces limitations permettront alors de motiver la mise en place d'une nouvelle méthode expérimentale dite "spectroscopique" permettant un contrôle complet par un opérateur extérieur de l'énergie des atomes placés le désordre.Le concept de fonction spectrale sera alors présenté comme outil fondamental permettant de caractériser les états d'énergie et de calibrer la fiabilité en énergie de la méthode spectroscopique. Enfin, des résultats expérimentaux portant sur la mesure de fonctions spectrales par cette nouvelle méthode spectroscopique viendront attester qu'il serait effectivement possible d'étudier la transition d'Anderson avec une résolution en énergie bien supérieure aux expériences précédentes.

This manuscript summarizes the work of a thesis on Anderson's localization and transport of ultra-cold matter waves in disordered media. This is an experimental work aiming to study the Anderson transition separating the energy states of a quantum particle placed in a disordered potential into two phases: localized states and diffusive states.First, we will recall some fundamental concepts about wave localization and how such phenomenon is linked with some interference effects. Then, we will give a global description of the experimental set-up allowing to prepare the ultra-cold atomic samples used as a source of quantum matter waves, and to generate the speckle field used as disordered potential for the atoms.At the end of this introductory work, the concepts of localization introduced previously will be applied to the transport of cold atoms in a speckle field. A brief state of the art of cold-atom experiments dealing with the Anderson transition will allow us to set the limits of these works in terms of energy control on the atomic states. These limitations will then motivate the implementation of a new experimental "spectroscopic" method allowing a complete control of the energy of the atoms placed in disorder.The concept of spectral function will then be presented as a fundamental tool for characterizing energy states and for calibrating the energy reliability of the spectroscopic method. Finally, the experimental results on the measurement of spectral functions by this new spectroscopic method will show that it would be indeed possible to study the Anderson transition with a much higher energy resolution than the previous experiments.; Ce mémoire résume les travaux d'une thèse portant sur le transport et la localisation d'Anderson d'ondes de matière ultra-froide en milieu désordonné. C'est un travail expérimental visant à l'étude de la transition d'Anderson séparant les états d'énergie d'une particule quantique placée dans un potentiel désordonné selon deux phases : des états localisés, et des états diffusifs.Dans un premier temps, on rappellera les concepts fondamentaux permettant de comprendre les effets de localisation des ondes, et notamment leur interprétation en terme d'interférences. Ensuite, on donnera une description globale du dispositif expérimental permettant de préparer les nuages d'atomes ultra-froids servant de source d'ondes quantiques de matière, et de générer la figure de tavelures optique (speckle en anglais) jouant le rôle de potentiel désordonné pour les atomes.A l'issue de ce travail introductif, les notions de localisation introduites précédemment seront appliquées au transport d'atomes froids dans un speckle. Un bref état de l'art des expériences d'atomes froids portant sur la transition d'Anderson permettra de dessiner les limites en terme de contrôle de l'énergie des états peuplés par les atomes. Ces limitations permettront alors de motiver la mise en place d'une nouvelle méthode expérimentale dite "spectroscopique" permettant un contrôle complet par un opérateur extérieur de l'énergie des atomes placés le désordre.Le concept de fonction spectrale sera alors présenté comme outil fondamental permettant de caractériser les états d'énergie et de calibrer la fiabilité en énergie de la méthode spectroscopique. Enfin, des résultats expérimentaux portant sur la mesure de fonctions spectrales par cette nouvelle méthode spectroscopique viendront attester qu'il serait effectivement possible d'étudier la transition d'Anderson avec une résolution en énergie bien supérieure aux expériences précédentes.

International audience; Carl Gustav Jung et Wolfgang Pauli, l’un des pères de la physique quantique, collaborent pendant un quart de siècle, de 1932 à 1958, pour tenter de saisir l’unité sous-jacente de la matière et de l’esprit, autrement dit de résoudre « le problème psychophysique ». Leurs échanges les conduisent à l’hypothèse selon laquelle l’inconscient dans ses couches les plus profondes n’est pas seulement psychique, mais également physique, ou ni l’un ni l’autre ; ils développent ainsi, point d’orgue à leur collaboration, le concept d’« inconscient neutre », neutre quant à la distinction entre physique et psychique. Leur correspondance, publiée chez Albin Michel sous la direction de Michel Cazenave, montre l’apport décisif de Wolfgang Pauli – et, à travers lui, de la physique quantique – à la psychologie des profondeurs. Toutefois, cet apport du physicien est à situer au sein d’une dynamique heuristique du dialogue où les deux savants affrontent et surmontent, tour à tour, leurs préjugés intellectuels.

Ultracold atom gases are a versatile platform to simulate condensed matter physics phenomena, as virtually any parameter is experimentally tunable with a high accuracy.In particular, highly anisotropic traps allow the realization of low-dimensional systems, where the role of quantum fluctuations is enhanced. I investigate the paradigmatic model of a one-dimensional Bose gas with contact interactions, a.k.a the Lieb-Liniger model, using powerful analytical tools such as Bethe Ansatz, Conformal Field Theory and the Tomonaga-Luttinger liquid formalism, as well as the Bose-Fermi mapping.These exact and approximate methods allow me to investigate with high accuracy its Ground-State energy and thermodynamics, excitation spectra and correlation functions, from the k-body local correlations to the momentum distribution and the dynamical structure factor. These quantities yield useful informations on the coherence and superfluidity of a gas. In particular, I study the drag force exerted by a gaussian laser beam stirred into the gas in linear response theory.Then, releasing a transverse trapping, I study the appearance of a multimode structure and the dimensional crossover. All along, the effect of a harmonic trap in the longitudinal direction is studied within the Local Density Approximation.; Les gaz d'atomes utlra-froids sont adaptés pour simuler des phénomènes observés en physique de la matière condensée, de part le haut degré d'ajustabilité de l'ensemble des paramètres avec une précision exceptionnelle.En particulier, la réalisation de pièges hautement anisotropes permet de confiner ces gaz en basse dimension, où le rôle des fluctuations quantiques est accru.Je m'attache en particulier au modèle de gaz de Bose unidimensionel dont les atomes interagissent localement, connu sous le nom de modèle de Lieb et Liniger. Les outils théoriques que j'emploie sont l'Ansatz de Bethe, la théorie conforme des champs, le formalisme des liquides de Tomonaga-Luttinger, ainsi qu'une équivalence exacte entre bosons et fermions.Ces méthodes exactes ou d'approximation me donnent accès, avec une précision remarquable, à la thermodynamique de l'état fondamental, au spectre d'excitations et aux fonctions de corrélation, depuis les corrélations locales à k corps jusqu'à la distribution en impulsion, ainsi qu'au facteur de structure dynamique. Ces observables fournissent des informations concernant les propriétés de cohérence et de superfluidité du gaz. Plus particulièrement, en me servant de la théorie de la réponse linéaire, j'étudie la force de traînée exercée par un faisceau laser gaussien remué dans le gaz.Enfin, je considère la situation où, en relâchant un degré de contrainte dû au piège, une structure à plusieurs modes apparaît et conduit à une augmentation progressive de la dimension effective du système. Tout du long, j'étudie l'effet d'un piège harmonique dans la dimension principale à travers le formalisme de l'Approximation de Densité Locale.

In this thesis we explore the phenomenology of some extensions to General Relativity and quantum gravity theories.The motivation for this research lies in the incompleteness of the current theoretical models that describe the behaviour of matter on cosmological scales.The standard model of particle physics and general relativity, combined together along with experimental probes in particle colliders and astrophysics, lead to a model for our universe, which is today dominated by dark matter. Moreover, according to the best model, the universe is currently undergoing an accelerated expansion and had started its existence with a space-time singularity: the big bang.The challenge for theoretical physics is therefore to obtain a model without singularity and with less invisible matter (or none). To this respect, the last two decades have been particularly fruitful: there is a large number of competing modified gravity and dark energy theories as well as quantum gravity proposals at our disposal.The purpose of the work presented here is to set up a phenomenological framework that enables a clear comparison and possible exclusions of these new theories by confronting them to current and future observational data.The first part of the thesis is dedicated to modified gravity and dark energy models. The second part deals with loop quantum cosmology, and the last part is a presentation of a new probe for dark energy: the thermal Sunyaev Zeldovich power spectrum., Dans cette thèse, nous explorons la phénoménologie de certaines extensions de la relativité générale et de la gravité quantique.Cette recherche est motivée par l’incomplétude des modèles théoriques qui décrivent le comportement de la matière aux échelles cosmologiques.Le model standard de la physique des particules et la relativité générale, combinés ensemble et avec les données expérimentales provenant des collisionneurs de particules et de l’astrophysique, conduisent a des modèles d’univers domines par de la matière invisible. De plus, selon le meilleur de ces modèles, l’univers serait présentement dans une phase d’expansion accélérée et aurait commencer son existence par une singularité spatio-temporelle : le big bang.Ainsi, la physique théorique se trouve mise au défi d’obtenir un model sans singularités et avec moins (ou aucune) matière sombre. Sur ce point, les deux dernières décennies ont étés particulièrement fructueuse : il y a maintenant un grand nombre de théories de gravité modifiée, d’énergie sombre et de gravité quantique qui sont à notre disposition.L’objectif du présent travail est de construire un cadre phénoménologique nous permettant de comparer clairement ces théories les unes aux autres et possiblement d’en réfuter certaines en se basant sur les récentes observations cosmologiques ainsi que celles qui sont encore a venir.La première partie de la thèse est dédiée aux théories de gravité modifiée et d’énergie sombre. La deuxième partie traite de la cosmologie quantique a boucles, et finalement la dernière partie présente une nouvelle façon de sonder l’expansion accélérée de l’univers via l’effet Sunyeav Zeldovich thermique.

In a strongly voltaged biased tunnel junction, optical photon emission occurs at frequencies below the threshold f, A forte polarisation (V >1V), une jonction tunnel planaire peut émettre de la lumière dans le domaine optique à des fréquences f

In a strongly voltaged biased tunnel junction, optical photon emission occurs at frequencies below the threshold f1V), une jonction tunnel planaire peut émettre de la lumière dans le domaine optique à des fréquences f

After having pierced the mystery of quantum gravitation in [7], the purpose of this article is to elucidate the phenomenon of quantum entanglement., Après avoir percé dans [7] le mystère de la gravitation quantique, le but de cet article est d' élucider le phénomène de l'intrication quantique.

During this thesis, we have built and characterized a single-photon subtractor to engineer the quantum states of light. The aim is to perform a pure and spectrally selective photon subtraction on a multimode resource in the spectral domain. This subtractor consists in a parametric sum-frequency interaction between a signal beam and a control beam within a non-linear medium. The optical spectrum of the control beam is shaped using ultrafast pulse shaping. The up-converted photon is filtered and detected by a single-photon detector. The subtractor is therefore the combination of all these successive elements. We have developed a theoretical framework to describe the multimode subtraction of a single photon and showed that it can be summed up by a subtraction matrix in a modal basis independently of the physical implementation. Thanks to this formalism, we have shown that the process can be characterized without measuring the transformed signal beam but simply by using a probe beam whose pulses are also shaped. We carried out a process tomography at the single-photon level for a wide range of different control beams. Our results are correctly described by the theory we developed and demonstrates the purity of the process as well as the agility of the technique we used., Dans le cadre de cette thèse, nous avons construit et caractérisé un soustracteur de photons uniques pour l'ingénierie d'états quantiques de la lumière. Le but étant de réaliser une soustraction de photon pure et spectralement sélective sur une ressource multimode dans le domaine spectral. Ce soustracteur repose sur une interaction paramétrique de somme de fréquence entre un faisceau signal et un faisceau de contrôle au sein d'un milieu non-linéaire. Le spectre du faisceau de contrôle est mis en forme à l'aide d'un procédé de mise en forme d'impulsion. Le photon convertit est filtré et détecté grâce à détecteur de photon unique. Le soustracteur est donc la combinaison de tous ces éléments successifs. Nous avons développé un cadre théorique décrivant la soustraction multimode de photons uniques et montré qu'elle peut être décrite, peu importe l'implémentation, par une matrice de soustraction dans une base de modes. Grâce à ce formalisme, nous avons montré que le processus pouvait être caractérisé sans mesurer le signal transformé mais simplement en lui substituant un faisceau sonde dont les impulsions sont aussi mises en forme. Nous avons réalisé une tomographie du processus au niveau du photon unique pour une large gamme de faisceaux de contrôle différents. Nos résultats sont correctement décrits par la théorie développée et démontre la pureté du processus ainsi que l'agilité de la technique employée.

Quantum cascade lasers (QCLs) are semiconductor laser sources able to produce high output power in mid-infrared range. Target applications are remote spectroscopy and optical counter-measure. Their performances are still limited by electronic transport, optical behavior and thermal load dissipation. First, this work has lead to a better comprehension of the features limiting the QCLs performances. Optical and thermal properties of the materials the QCLs are made of have been measured. By simulation, we have shown the impact of the device and submount's geometries on the performances. Second, we have studied some methods to shape the beam in order to increase the luminance of the QCL. We have then demonstrated that coupling with optic fibers, or using tapered QCLs reduces the divergence of the QCL. In addition, we have obtained very high peak and average powers with broad area (BA) QCLs, while keeping a good far-field quality. Finally, we have shown that it is possible to shape the beam emitted by BA QCLs by optical feedback. Lastly, we have proposed new methods to conceive monolithically phase-locked QCL arrays. On top of experimental results on uniform QCL arrays, we have shown the limits of non-uniform arrays. Finally, we have patented a solution based on amorphous silicon antiguides to phase-lock a large number of QCLs.; Les lasers à cascade quantique (QCLs) sont des sources laser à semi-conducteurs permettant de fortes puissances optiques dans le moyen-infrarouge. Les applications visées sont la spectroscopie à distance et les contre-mesures optiques. Les performances des QCLs restent limitées par le transport électronique, le comportement optique et la dissipation de la charge thermique. Premièrement, cette thèse a permis une meilleure compréhension des éléments limitants les performances des QCLs. Les propriétés optiques et thermiques des matériaux qui constituent les QCLs ont été mesurées. En nous appuyant sur des simulations, nous avons montré l'impact de la géométrie du composant et de l'embase sur les performances. Deuxièmement, nous avons étudié des méthodes pour mettre en forme le faisceau afin d'augmenter la luminance du QCL. Nous avons ainsi montré que le couplage avec des fibres optiques ou l'utilisation de QCLs à section évasée permettent de réduire la divergence du QCL. De plus, nous avons obtenu de très fortes puissances crêtes et moyennes avec des lasers larges tout en conservant un bon champ lointain. Enfin, nous avons montré qu'il est possible de mettre en forme le faisceau émis par des QCLs larges en réinjectant le signal optique. Dernièrement, nous avons proposé des nouvelles méthodes pour réaliser des réseaux de QCLs couplés monolithiquement. En plus de résultats expérimentaux sur des réseaux de QCLs uniformes, nous avons montré les limites des réseaux non-uniformes. Enfin, nous avons breveté une solution basée sur des antiguides en silicium amorphe pour coupler un grand nombre de QCLs.

Quantum cascade lasers (QCLs) are semiconductor laser sources able to produce high output power in mid-infrared range. Target applications are remote spectroscopy and optical counter-measure. Their performances are still limited by electronic transport, optical behavior and thermal load dissipation. First, this work has lead to a better comprehension of the features limiting the QCLs performances. Optical and thermal properties of the materials the QCLs are made of have been measured. By simulation, we have shown the impact of the device and submount's geometries on the performances. Second, we have studied some methods to shape the beam in order to increase the luminance of the QCL. We have then demonstrated that coupling with optic fibers, or using tapered QCLs reduces the divergence of the QCL. In addition, we have obtained very high peak and average powers with broad area (BA) QCLs, while keeping a good far-field quality. Finally, we have shown that it is possible to shape the beam emitted by BA QCLs by optical feedback. Lastly, we have proposed new methods to conceive monolithically phase-locked QCL arrays. On top of experimental results on uniform QCL arrays, we have shown the limits of non-uniform arrays. Finally, we have patented a solution based on amorphous silicon antiguides to phase-lock a large number of QCLs.; Les lasers à cascade quantique (QCLs) sont des sources laser à semi-conducteurs permettant de fortes puissances optiques dans le moyen-infrarouge. Les applications visées sont la spectroscopie à distance et les contre-mesures optiques. Les performances des QCLs restent limitées par le transport électronique, le comportement optique et la dissipation de la charge thermique. Premièrement, cette thèse a permis une meilleure compréhension des éléments limitants les performances des QCLs. Les propriétés optiques et thermiques des matériaux qui constituent les QCLs ont été mesurées. En nous appuyant sur des simulations, nous avons montré l'impact de la géométrie du composant et de l'embase sur les performances. Deuxièmement, nous avons étudié des méthodes pour mettre en forme le faisceau afin d'augmenter la luminance du QCL. Nous avons ainsi montré que le couplage avec des fibres optiques ou l'utilisation de QCLs à section évasée permettent de réduire la divergence du QCL. De plus, nous avons obtenu de très fortes puissances crêtes et moyennes avec des lasers larges tout en conservant un bon champ lointain. Enfin, nous avons montré qu'il est possible de mettre en forme le faisceau émis par des QCLs larges en réinjectant le signal optique. Dernièrement, nous avons proposé des nouvelles méthodes pour réaliser des réseaux de QCLs couplés monolithiquement. En plus de résultats expérimentaux sur des réseaux de QCLs uniformes, nous avons montré les limites des réseaux non-uniformes. Enfin, nous avons breveté une solution basée sur des antiguides en silicium amorphe pour coupler un grand nombre de QCLs.

The Herschel Space Observatory satellite has permitted to detect light in the far infrared, corresponding to frequencies at which molecules emit light through rotational transitions. ALMA, an interferomete rlocated on the Chilean desert of Acatama took over Herschel and will allow new observations of cold molecular clouds with an accurate angular accuracy. ALMA observes in the range of millimeter andsub-millimeter which makes it complementary to the Satellite Herschel (far infrared). These significant advances in observing particle interactions at the microscopic level, to produce and trap diatomic molecules in specific internal states, open new perspectives in the field of collision physics and theoretical chemistry.Observation of interstellar molecules has benefited from advances in astronomy, to identify vibrational rotational ransitions of molecules. Furthermore, spectroscopic data provide us with important information on the state of the interstellar medium: ionized or neutral.The cation methylidene CH + was observed in the diffuse medium through its X1Σ + -A1Π electronictransition. It plays an important role in the different stages of the complex chemical behaviour through processes and molecular reactions that occur in interstellar and circumstellar regions. So CH+ launches large chain chemical processes that can progress to the formation of more complex species.The fine structure transition of C +; is the strongest emission line of the Milky Way. The C + ion is atracer of density and temperature in diffuse clouds and regions dominated by photons (PDR). The C +line is an important tool to probe the gas content and star formation processes in the Milky Way andother galaxies.C+ + H2 collisions can lead to the formation of CH +. This reaction has been extensively studied theoretically and experimentally, however, it is endothermic by 3211cm-1 and at the typical temperatures for MIS and H2 in its ground vibrational state, the reaction does not occur. The only process is then the C + spin-orbit excitation process.Spin orbit relaxation C + (2P1 / 2) + H 2 (v j) = C + (2P3 / 2) + H 2 (v0; j0) which was first studied inthis thesis contributes to the cooling of the gas constituting the interstellar clouds.The vibrational excitation of H2 (v> 0), which takes place during collisions with C + has a significant influence on the abundance of CH +. CH + is a highly reactive ion, it is destroyed by the abstractionreaction of hydrogen that has been considered in this work. It is therefore interesting to accurately assess the effectiveness of this path of destruction. The dilemma is that this ion is also abundantly found in the neutral and cold environment.This thesis focuses on the inelastic and reactive collisions studies of interstellar interest. We used ab initio highly correlated methods to tackle the electronic structure parts. Moreover, the nuclear dynamics of the systems was studied using a time independent quantum formalism, based on the Jacobi coordinates in the case of the spin-orbit excitation of C + (2P) + ortho H2, and para-H2 and rotational excitation of (+ CD) + He, or the hyper spherical coordinates for the reactive process in the case of the abstraction of a hydrogen in H + CH +.Our concern was to give a comprehensive basis of the mechanisms and provide a quantification of the effective spin-orbit relaxation cross sections and reaction rates to confront with spectroscopic observations. The new rate constants we obtained should help to better interpret the observations of C+ radiation emissions obtained by current and future telescopes.; Le satellite Herschel Space Observatory a permit de détecter la lumière dans l'infrarouge lointain, ce qui correspond aux fréquences auxquelles émettent les molécules légères lors de leurs transitions rotationnelles. ALMA, un interféromètre situé sur un plateau du désert chilien a pris le relais d'Herschel et va permettre de nouvelles observations des nuages moléculaires froids avec une bonne précision angulaire. ALMA observe dans la gamme du millimétrique et du sub-millimétrique ce qui le rend complémentaire du satellite Herschel (infra lointain). Ces avancées considérables concernant les interactions entre particules au niveau microscopique, permettant de produire et piéger des diatomiques dans des états internes bien précis, ouvrent de nouvelles perspectives dans le domaine de la physique des collisions et de la chimie théorique. L'observation des molécules interstellaires a bénéficié des avancées de la radioastronomie, permettant d'identifier les transitions rotationnelles et vibrationnelles des molécules. De plus, les informations spectroscopiques nous procurent des données importantes sur l’état du milieu interstellaire : ionisé ou neutre.Le cation méthylidène CH+ a été observé dans le milieu diffus par sa transition électronique X1Σ+ -A1Π.Il joue un rôle important dans les différentes étapes du réseau chimique complexe grâce à des processus et réactions moléculaires qui se produisent dans les régions interstellaires et circumstellaires. Donc CH+lance une vaste chaine chimique de processus qui peut évoluer vers la formation d'espèces plus complexes.La transition de structure fine de C+; est la plus forte raie en émission de la voie lactée. L’ion C+ est un traceur de la densité et de la température dans les nuages diffus et les régions dominées par les photons (PDR). La raie de C+ constitue un important outil pour sonder le contenu en gaz et les processus de formation des étoiles dans la Voie lactée et dans d'autres galaxies.Les collisions de C+ avec H2 peuvent mener à la formation de CH+. Cette réaction a été très étudiée théoriquement et expérimentalement, cependant, étant endothermique par 3211cm-1 et, pour les températures typiques du MIS et pour H2 dans son niveau fondamental, la réaction ne se produit pas. Le seul processus est alors le processus d'excitation de spin-orbite de C+.La relaxation spin orbite C+(2P1/2) + H2(v; j) = C+(2P3/2) + H2(v0; j0) qui a été tout d'abord étudiée dans cette thèse contribue au refroidissement du gaz constituant les nuages interstellaires.L'excitation vibrationnelle de H2 (v > 0), qui a lieu lors des collisions avec C+ possède une influence notable sur les abondances de CH+. CH+ est un ion très réactif, il se détruit à partir de la réaction d'abstraction de l'hydrogène qui a été prise en considération dans ce travail. Il est donc intéressant d'évaluer précisément l'efficacité réelle de ce chemin de destruction. Le dilemme est que cet ion est également abondamment trouvé dans le milieu neutre et froid.Ce travail de thèse a comporté des études de collisions inélastiques et réactive d'intérêt interstellaire.Nous avons utilisé les calculs ab initio hautement corrélés. De plus, la dynamique nucléaire des systèmes considérés a été étudiée à l'aide d'un formalisme quantique et indépendant du temps, basé sur les coordonnées hypersphériques : soit inélastique dans le cas de l’excitation spin-orbite de C+(2P) + ortho-H2, et para-H2 et l’excitation rotationnelle de (CD+) + He, ou réactif dans le cas de l’abstraction d’un hydrogène dans H + CH+.Notre soucis a été de donner une base compréhensible des mécanismes et de fournir une quantification des sections efficaces de relaxation spin-orbite et des taux de réaction permettant de remonter aux observations spectroscopiques. Les nouvelles constantes de vitesse que nous avons obtenues devraient aider à mieux interpréter les observations de l'émission de C+ obtenues par les télescopes actuels et futurs. (...)

This thesis aims at learning more about nonclassical structured light. Quantum optics and structured light are two topics that are subject to countless scientific examinations. However, they are very rarely combined and the quantum properties of structured light are not as thoroughly studied as they deserve. By structured light, we mean any light fields with complex transverse distributions of intensity, phase or polarization. We want to link the topics of quantum optics and structured light in this thesis. For this purpose, we experimentally generate particular nonclassical structured light fields. In particular, we construct an experimental setup that enables us, in principle, to produce arbitrary amplitude squeezed vector beams, i.e. light beams with a complex transverse structure of the state of polarization. Furthermore, we analyze spatial properties of light beams, and their quantum noise theoretically. We specifically perform theoretical examinations of the quantum noise in the width of a light beam. To show the feasibility of an experimental verification of our theoretical results, we conduct simulations for the measurement of spatial parameters of a beam's cross-section by a multipixel detector., La présente thèse a pour objectif d'analyser la lumière structurée non-classique et ses caractéristiques. L'optique quantique et la lumière structurée sont deux sujets qui font l'objet d'examens nombreux. Ils sont néanmoins rarement examinés en combinaison. Les propriétés quantiques de la lumière structurée sont moins bien étudiées qu'ils devraient l'être. Par la lumière structurée nous entendons les champs lumineux qui montrent une structure transverse complexe de l'intensité, la phase ou la polarisation. Nous voulons lier les deux sujets de l'optique quantique et la lumière structurée dans la présente thèse. Dans ce but, nous générons expérimentalement des champs lumineux structurés non-classiques. En particulier, nous réalisons une expérience qui permet de générer des faisceaux vectoriels vectoriels - c'est-à-dire des faisceaux lumineux dont l'état de polarisation présente une structure transverse complexe - qui montrent une réduction du bruit quantique. En outre, nous étudions théoriquement les propriétés spatiales de faisceaux lumineux, ainsi que leur bruit. Plus spécifiquement, nous analysons l'incertitude quantique dans la largeur d'un faisceau lumineux. Pour prouver la faisabilité de la vérification expérimentales de nos résultats théoriques, nous réalisons des simulations pour la mesure de paramètres spatiales utilisant un détecteur mulitpixels.

International audience; En nous fondant sur les travaux de Carl Gustav Jung, fondateur de la psychologie des profondeurs, et de Wolfgang Pauli, l’un des pères de la physique quantique, nous proposons une analyse de l’inscription du sujet dans le temps. À partir d’une approche phénoménologique de la danse Kagura Mai, danse japonaise de type extatique que nous avons étudiée en atelier pendant dix ans dans le cadre de notre thèse de doctorat, nous mettons en évidence l’existence de marqueurs corporels de l’atemporalité qui semblent indiquer l’existence d’un plan sous-jacent, un « plan antérieur », indifférent à la flèche du temps selon Jung et Pauli. Dans le champ des croyances japonaises, la danse Kagura Mai est perçue comme la résurgence d’un temps originaire propre à renouveler le monde.

International audience; Carl Gustav JUNG et Wolfgang PAULI collaborent pendant un quart de siècle autour du rapport entre la sphère physique et la sphère psychique. Leur exploration conjointe du « problème psychophysique » les conduit à admettre l'existence d'un arrière-plan au monde phénoménal, arrière-plan « miphysique mi-psychique ». Cet arrière-plan « commun de la microphysique et de la psychologie dite des profondeurs, écrit JUNG, est à la fois physique et psychique, c'est-à-dire qu'il n'est ni l'un ni l'autre, mais constitue un troisième terme, une nature neutre. [...] L'arrière-plan de notre univers empirique apparaît en fait comme un unus mundus, un monde « un »2. Ce modèle, qu'ils établissent à l'aune de la physique et de la psychologie modernes3, remet en question la représentation que nous nous faisons de l'inscription de l'homme dans son milieu. Il suppose, en effet, que l'existence de l'homme, sa présence et son agir en ce monde, s'enracine dans ce plan antérieur où ne vaut ni la flèche du temps ni l'espace comme étendue, ni non plus la séparation entre moi et autrui ou encore la causalité. Ce plan constituerait en quelque sorte l'autre face du monde, selon un rapport de symétrie, et l'autre face du sujet. Sa présence et sa structure transparaissent notamment à l'occasion de certains états psychologiques lors desquels, le moi étant mis hors circuit, les couches primaires de la psyché peuvent se révéler, comme dans certains rêves de PAULI, ou encore lors de danses extatiques.

International audience; La question du corps chez Carl Gustav Jung s’enracine dans sa théorie d’un « monde antérieur », dans lequel la sphère physique et la sphère psychique ne sont pas encore distinctes, et qui est au soubassement de la réalité telle qu’elle se donne à nous ordinairement – théorie qu’il façonne avec Wolfgang Pauli, l’un des pères de la mécanique quantique. Questionner le corps dans une perspective jungienne exige alors de comprendre le développement de ce plan fondamental en notre plan d’existence ordinaire où les sphères physique et psychique sont distinctes et s’opposent. L’accès à ce monde antérieur exige un enfouissement qui permet de mettre au jour des faits d’un nouveau genre pour lesquels les césures entre intériorité et extériorité, entre sujet et objet, ne sont plus valables. En alchimie et dans le yoga, cet enfouissement en soi se double de phénomènes d’extériorisations qui modifient le corps et son environnement. À l’occasion de ces extériorisations se révèle un corps originel capable de refléter et d’explorer les objets de la psyché.

A fundamental route for the exploration of solid state based quantum information is the generation of EPR pairs of quantum-entangled objects. Although experimental tests of nonlocality have been successfully conducted with pair of entangled photons, it has not yet been possible to realize an electronic analogue of it in the solid state, where fermions are the natural quantum objects. However, Cooper pairs in superconductors are known as suitable sources of entanglement. Non-local entanglement is the key and Crossed Andreev reflection process can provide it by converting a Cooper pair into two spin-entangled electrons located in separate conductors.I investigated a device where three superconducting (Al) electrodes are connected by a sub-micron normal metal (Cu) composing a Josephson three-junction. In this hybrid nanostructure, new sub-gap features appear in the differential conductance when two terminals are biased at opposite voltage with respect to the third one. These features correspond to correlated motion of Cooper pairs and are consistent with the prediction of Quartets formed by the simultaneous splitting of two Cooper pairs from one of the superconducting reservoirs and the emission of two phase correlated Cooper pairs in the two other electrodes. In order to probe the quantum coherence of such features, I irradiated the device with a microwave at 14 GHz down to very low temperature (100 mK). Well known Shapiros resonances (both integer and half-integer) are observed when the microwave frequency matches the frequency of the AC Josephson currents generated by applying differents voltages across the three-junction.My study reveals that the quartet feature also shows Shapiro-like resonances. This result demonstrates that the quartet feature is a true quantum mechanism and confirms the quartet scenario that implies the coherent splitting of two Cooper pairs.; La génération d'objets quantiques intriqués est inévitable pour l'exploration de l'information quantique dans les systèmes de la matière condensée. Alors que des expériences de non-localité on été menées, avec succès, à partir de photons intriqués, il n'a pas encore été possible de réaliser leurs analogues électroniques dans les matériaux solides, où les fermions sont les objets quantiques à intriqués. Les paires de Cooper dans les supraconducteurs sont des candidats prometteurs pour réaliser une source d'électrons intriqués. L'intrication non-local est la clé de voûte et elle peut être induite par le processus de réflexion d'Andreev croisée. Ce phénomène sépare une paire de Cooper en deux électrons, dont les spins sont intriqués, dans deux conducteurs séparés spatialement.J'ai étudié un système composé de trois électrodes supraconductrices (Al) connectées par un métal normal (Cu) formant ainsi une tri-jonction Josephson. De nouvelles structures, dans cette nano-structure hybride, apparaissent dans la conductance différentielle lorsque deux terminaux sont polarisées par des potentiels opposés l'un par rapport à l'autre. Ces anomalies correspondent à des phénomène de transport de paires de Cooper corrélées et sont consistantes avec la prédictiondes Quartets formés par la séparation simultanée de deux paires de Cooper d'un réservoir supraconducteur vers les deux autres électrodes.Dans le but d'expérimenter la cohérence quantique de ces structures, j'ai irradié la tri-jonction à l'aide d'une micro-onde de 14 GHz à très basse température. Des résonances Shapiro apparaissent lorsque la fréquence de la micro-onde est équivalente à la fréquence des courants AC Josephson générés en appliquant des tensions à travers la tri-jonction.Mon étude révèle que les anomalies de type Quartet présentent aussi des résonances Shapiro. Ce résultat démontre que le phénomène de Quartet est un mécanisme quantique cohérent confirmant la séparation cohérente de deux pairs de Cooper à longue portée.

A fundamental route for the exploration of solid state based quantum information is the generation of EPR pairs of quantum-entangled objects. Although experimental tests of nonlocality have been successfully conducted with pair of entangled photons, it has not yet been possible to realize an electronic analogue of it in the solid state, where fermions are the natural quantum objects. However, Cooper pairs in superconductors are known as suitable sources of entanglement. Non-local entanglement is the key and Crossed Andreev reflection process can provide it by converting a Cooper pair into two spin-entangled electrons located in separate conductors.I investigated a device where three superconducting (Al) electrodes are connected by a sub-micron normal metal (Cu) composing a Josephson three-junction. In this hybrid nanostructure, new sub-gap features appear in the differential conductance when two terminals are biased at opposite voltage with respect to the third one. These features correspond to correlated motion of Cooper pairs and are consistent with the prediction of Quartets formed by the simultaneous splitting of two Cooper pairs from one of the superconducting reservoirs and the emission of two phase correlated Cooper pairs in the two other electrodes. In order to probe the quantum coherence of such features, I irradiated the device with a microwave at 14 GHz down to very low temperature (100 mK). Well known Shapiros resonances (both integer and half-integer) are observed when the microwave frequency matches the frequency of the AC Josephson currents generated by applying differents voltages across the three-junction.My study reveals that the quartet feature also shows Shapiro-like resonances. This result demonstrates that the quartet feature is a true quantum mechanism and confirms the quartet scenario that implies the coherent splitting of two Cooper pairs.; La génération d'objets quantiques intriqués est inévitable pour l'exploration de l'information quantique dans les systèmes de la matière condensée. Alors que des expériences de non-localité on été menées, avec succès, à partir de photons intriqués, il n'a pas encore été possible de réaliser leurs analogues électroniques dans les matériaux solides, où les fermions sont les objets quantiques à intriqués. Les paires de Cooper dans les supraconducteurs sont des candidats prometteurs pour réaliser une source d'électrons intriqués. L'intrication non-local est la clé de voûte et elle peut être induite par le processus de réflexion d'Andreev croisée. Ce phénomène sépare une paire de Cooper en deux électrons, dont les spins sont intriqués, dans deux conducteurs séparés spatialement.J'ai étudié un système composé de trois électrodes supraconductrices (Al) connectées par un métal normal (Cu) formant ainsi une tri-jonction Josephson. De nouvelles structures, dans cette nano-structure hybride, apparaissent dans la conductance différentielle lorsque deux terminaux sont polarisées par des potentiels opposés l'un par rapport à l'autre. Ces anomalies correspondent à des phénomène de transport de paires de Cooper corrélées et sont consistantes avec la prédictiondes Quartets formés par la séparation simultanée de deux paires de Cooper d'un réservoir supraconducteur vers les deux autres électrodes.Dans le but d'expérimenter la cohérence quantique de ces structures, j'ai irradié la tri-jonction à l'aide d'une micro-onde de 14 GHz à très basse température. Des résonances Shapiro apparaissent lorsque la fréquence de la micro-onde est équivalente à la fréquence des courants AC Josephson générés en appliquant des tensions à travers la tri-jonction.Mon étude révèle que les anomalies de type Quartet présentent aussi des résonances Shapiro. Ce résultat démontre que le phénomène de Quartet est un mécanisme quantique cohérent confirmant la séparation cohérente de deux pairs de Cooper à longue portée.

Quantum information processing has been developing rapidly in the last two decades as a way to overcome the limitations of classical electronics. Several components to generate, process and send quantum information are needed. In this context, optical quantum memories appear as principal components to communicate quantum information at long distances by overcoming the losses of the optical fibers in the so-called quantum repeater scheme. During the last decade several storage protocols to store quantum information have been proposed and tested. In this thesis, I present the Revival of Silenced Echo (ROSE) protocol implemented in an Er3+:Y2SiO5 crystal. This material is a good candidate for a quantum memory because of its transition in the C-band of the telecom wavelengths where the losses in optical fibers are minimized. In this work, I evaluate the ROSE performances with weak classical pulses. I measure efficiency, bandwidth and storage time which are the typical figures of merit for an optical quantum memory. Starting with a fixed bandwidth, I demonstrate experimentally a good efficiency. Additionally, I measure the bandwidth dependence of the protocol. For this latter, the dipole-dipole interactions between erbium ions appears as limiting factors. Finally, I implement the ROSE protocol with a few photons per pulse to show its potential as a quantum memory. I report good efficiencies with a moderate signal to noise ratio.I finish this work with a series of measurements in new materials (doped or codoped with erbium), to extend the processing bandwidth of Er doped samples compatible the telecom wavelength range.; Le traitement quantique de l’information comme moyen de surmonter les limites de l’électronique classique a connu un développement rapide dans les deux dernières décennies. Plusieurs composants pour générer, traiter et envoyer l’information quantique sont nécessaires. Dans ce contexte, les mémoires quantiques optiques apparaissent comme des composantes principales capables de communiquer l’information quantique sur de longues distances en surmontant les pertes des fibres optiques dans un schéma de répéteur quantique. Durant la dernière décennie, plusieurs protocoles de stockage pour stocker l’information quantique ont été proposés et testés. Dans cette thèse, je présente le protocole Revival of Silenced Echo (ROSE) et sa réalisation dans un cristal Er3+:Y2SiO5. Ce matériau est un bon candidat pour une mémoire quantique grâce à sa transition dans la bande C des télécommunications où les pertes dans les fibres optiques sont minimales. Dans ce travail, j’évalue les performances du ROSE avec des impulsions faibles classiques. Je mesure l’efficacité, la bande passante et le temps de stockage qui sont des figures de mérite typiques d’une mémoire quantique optique. Pour une bande passante fixe, je démontre expérimentalement une bonne efficacité. En outre, je mesure la dépendance de la bande passante du protocole. Pour cette dernière les interactions dipôle-dipôle entre les ions d’erbium apparaît comme un facteur limitant. Enfin, je réalise le protocole ROSE avec quelques photons par impulsion afin d’évaluer son potentiel comme mémoire quantique. Je démontre une bonne efficacité avec un rapport signal sur bruit modéré. Je termine ce travail par une série de mesures dans des matériaux nouveaux (co-dopé ou dopé avec de l’erbium), pour augmenter la bande-passante de traitement d’échantillons dopés Er compatible avec les longueurs d’onde des télécommunications.