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Electron Spin Resonance (ESR) spectroscopy is a characterization method applicable to a wide variety of spin systems. This method, usually based on the Inductive Detection (ID) of spin echo, has a low sensitivity, restricting the detection to large spin ensembles. Improving the sensitivity while keeping the generality of application is desirable to characterize small spin ensemble properties.This thesis explores a new ESR detection method - the Fluorescence Detection (FD) - recently developed in Quantronics group. We apply it to the spectroscopy of rare earth ions in Scheelite using a Single Microwave Photon Detector device, at millikelvin temperature. The experiment uses a superconducting resonator magnetically coupled to the resonant spin ensemble, in order to manipulate and detect the spin signal. We report large-scale FD-ESR spectra showing signal from a wide variety of spin species, proving the generality of this detection method. As FD gives immediately access to the spin fluorescence, it calls for a better understanding of spin relaxation curve. Focusing on Erbium ions, we model the spin ensemble dynamics as the sum of single spin contribution and perform simulations that quantitatively reproduce the fluorescence signal over three orders of magnitude in excitation pulse strength. The comparison of ID and FD in similar spin excitation conditions confirms a sensitivity gain with FD for spin detection, reaching a factor 15 at the lowest excitation strength explored. This higher sensitivity allows us to measure the frequency shifts caused by mechanical strain on a small spin sub-ensemble, and to study its dependence with the static field angle. Thanks to the spin sub-ensemble coupling homogeneity, we observe spin coherent oscillations. Although FD is sensitive to incoherent photons, we use a three-pulse sequence to perform FD of Hahn echoes. We characterize the spin coherence time using FD, and demonstrate a method to get around the limitation in spin coherence time due to magnetic field noise. Eventually, we show that there is also a sensitivity gain with FD compared to ID for echo detection.; La spectroscopie de Résonance de Spin Electronique (ESR) est une méthode de caractérisation applicable à une grande variété de systèmes de spin. Cette méthode, généralement basée sur la Détection Inductive (ID) de l'écho de spin, a une faible sensibilité, limitant la détection aux grands ensembles de spin. Améliorer la sensibilité de cette technique de caractérisation tout en gardant la généralité de son application est souhaitable pour caractériser les propriétés de petits ensembles de spin.Cette thèse explore une nouvelle méthode de détection ESR - la Détection par Fluorescence (FD) - récemment développée dans le groupe Quantronique. Nous l'appliquons à la spectroscopie des ions de terres rares dans la Scheelite en utilisant un dispositif de Détection de Photon à Micro-onde Unique, opérant à la température de quelque millikelvin. Notre expérience utilise un résonateur supraconducteur couplé magnétiquement à l'ensemble de spin résonnant afin de manipuler et de détecter le signal de spin. Nous présentons des spectres FD-ESR à grande échelle montrant des signaux d'une grande variété d'espèces de spin, ce qui prouve la généralité de cette méthode de détection. Comme la FD donne un accès immédiat à la fluorescence de spin, elle nécessite une meilleure compréhension de la courbe de relaxation de spin. En nous concentrant sur les ions Erbium, nous modélisons la dynamique d'ensemble des spins comme la somme des contributions des spins individuels et nous effectuons des simulations qui reproduisent quantitativement le signal de fluorescence sur trois ordres de grandeur de la force de l'impulsion d'excitation. La comparaison de l'ID et de la FD dans des conditions similaires d'excitation de spin confirme un gain de sensibilité avec la FD pour la détection de spin, atteignant un facteur 15 à la plus faible force d'excitation employée. Cette plus grande sensibilité nous permet de mesurer les décalages de fréquence causés par une contrainte mécanique sur un petit sous-ensemble de spin, et d'étudier sa dépendance avec l'angle du champ magnétique statique. Grâce à l'homogénéité du couplage du sous-ensemble de spin, nous observons des oscillations cohérentes de spin. Bien que la FD soit sensible aux photons incohérents, nous utilisons une séquence de trois impulsions pour réaliser la FD des échos de Hahn. Nous caractérisons le temps de cohérence des spins en utilisant la FD, et proposons une méthode pour contourner la limitation du temps de cohérence des spins due au bruit du champ magnétique. Enfin, nous montrons qu'il y a également un gain de sensibilité avec la FD par rapport à la ID pour la détection des échos.

Quantum computers rely on quantum two-level systems as memory units, the so-called qubits, and it is their quantum character what brings unique attributes that should enable to solve unaffordable problems with nowadays best classical computers. To this end, millions of qubits are required, and consequently large-scale quantum architectures capable of hosting and individually controlling them. Many quantum two-level systems have been proposed as qubits. Superconducting circuits have taken the lead and platforms with tens of qubits are already available at present. However, its scalability beyond a few hundreds is challenging. In this respect, quantum-dot-based spin qubits are among the latest to join the race, yet they seem to gather most of the requirements of a an ideal quantum processor. Current experiments deal with a few spin qubits at most, and one of the issues they may encounter when scaling up is variability. Spin qubits are sensible to their electrical environment, and defects in the surrounding materials may scatter their properties and yield to processors made of very heterogeneous qubits.This thesis addresses the challenges that spin qubits may face in the near future both by understanding its impact and by proposing improved device candidates. We numerically quantify the variability for two of the most promising platforms for spin qubits: electrons and holes in Si MOS devices, and holes in Ge/SiGe heterostructures. We simulate their main sources of disorder, and discuss its repercussion on the realization of one- and two-qubit operations. We find that variability in Si MOS devices is a major challenge for scalability. We also evidence that variability, while smaller than for Si MOS, still shapes the properties of individual qubits in Ge/SiGe heterostructures, and propose a novel gate layout for Ge/SiGe-based processors that palliates its issues. Finally, we discuss how many-body interactions can reshape the physics of quantum dots, and how this must be accounted for in the design of spin qubit arrays.; Les ordinateurs quantiques utilisent des systèmes à deux niveaux comme unités de mémoire, les bits quantiques, et c'est leur caractère quantique ce que leur apportent des attributs uniques qui devraient permettre de résoudre des problèmes inabordables par les meilleurs ordinateurs classiques d'aujourd'hui. Pour que ce soit une réalité, des millions de qubits sont nécessaires, et par conséquent des architectures quantiques à grande échelle capables de les héberger et de les contrôler individuellement. De nombreux systèmes quantiques à deux niveaux ont été proposés comme bits quantiques. Les circuits supraconducteurs ont pris la tête et des plates-formes avec des dizaines de bits quantiques sont déjà disponibles. Cependant, sa croissance au-delà de quelques centaines présente des défis. À cet égard, les bits quantiques de spin basés sur des boîtes quantiques sont parmi les derniers à rejoindre la course, mais ils semblent rassembler la plupart des prérequis d'un processeur quantique idéal. Les expériences actuelles ont quelques qubits de spin au maximum, et l'un des problèmes qu'ils peuvent rencontrer lors de leur développement est la variabilité. Les qubits de spin sont sensibles à leur environnement électrique, et les défauts dans les matériaux environnants peuvent modifier leurs propriétés et laisser des processeurs très hétérogènes.Cette thèse aborde les défis auxquels les bits quantiques de spin pourraient faire face dans un proche avenir, à la fois en comprenant son impact et en proposant des dispositifs améliorés. Nous quantifions numériquement la variabilité pour deux des plates-formes les plus prometteuses pour les bits quantiques de spin: les électrons et les trous dans les dispositifs Si MOS, et les trous dans les hétérostructures Ge/SiGe. Nous simulons leurs principales sources de désordre, et discutons ses répercussions sur la réalisation des opérations à un et deux qubits. Nous constatons que la variabilité des appareils Si MOS est un gros défi pour l'extensibilité de cette plate-forme. Nous constatons également que la variabilité, bien que plus petite que pour Si MOS, modifient toujours les propriétés des qubits individuels dans les hétérostructures Ge/SiGe; et on propose un nouveau grillage pour les processeurs basés sur Ge/SiGe qui pallie ses problèmes. Enfin, nous discutons comment les interactions entre particules peuvent modifier la physique des boîtes quantiques, et comment cela doit être considéré dans la conception des systèmes de boîtes quantiques de spin.

Cette thèse exploite les liens profonds entre la physique des systèmes quantiques locaux, les propriétés non locales de leurs états fondamentaux et le contenu en information de ces états. Les deux premiers chapitres sont consacrés à l’application des systèmes quantiques locaux pour les fins d’une tâche informationnelle précise, soit le calcul quantique. Au terme d’un bref survol de la théorie, nous proposons un patron pour le calcul quantique universel et évolutif pouvant être réalisé sur une grande variété de plateformes physiques, et démontrons qu’il est particulièrement résilient face à un bruit anisotrope. Les quatre derniers chapitres sont pour leur part consacrés à l’approche informationnelle des systèmes quantiques à corps multiples. Nous décrivons les principales propriétés des corrélations et de l’intrication dans les états fondamentaux des systèmes de dimensions réduites les plus courants, en distinguant systèmes non critiques et systèmes critiques. Nous montrons que ces propriétés sont fortement modifiées par la présence de frustration géométrique dans les chaînes de spins. Enfin, nous réalisons une analyse exhaustive des corrélations et de l’intrication dans les états fondamentaux de deux théories quantiques de champs non triviales., This thesis exploits the deep connections between the physics of local quantum systems, the nonlocal features in their ground states, and the information content of these states. The first two chapters are dedicated to the application of local quantum systems for the purpose of a definite information-theoretical task, namely quantum computation. After a brief survey of the theory, we propose a scheme for scalable universal quantum computation that, we argue, could be implemented on a wide variety of physical platforms, and show that it is particularly resilient to anisotropic noise. The last four chapters are dedicated to the information-theoretical approach of many-body quantum systems. We describe the main properties of correlations and entanglement in the ground states of the most common low-dimensional many-body systems, distinguishing between noncritical systems and critical ones. We show how these properties can be dramatically modified by the presence of geometric frustration in spin chains. Finally, we perform an intensive study of correlations and entanglement in the ground states of two nontrivial one-dimensional quantum field theories.

The construction of a quantum computer is an extremely challenging task, because the states of the quantum system used to carry out the computation are typically far too fragile. A necessary condition to build such a computer is to design a system in which a large number of quantum bits are protected from the devastating effect of their environment to withstand the quantum information for a sufficiently long time. At the same time, performing a computation supposes the ability to control the quantum states to process the information they encode. The theory of quantum error correction opens the path towards the realization of macroscopically large quantum systems with, in theory, arbitrary good protection against the noise induced by the environment. The bottleneck of the implementation of quantum error correction is twofold. First, it requires to build quantum systems for which the levels of noise are below a constant value called the accuracy threshold. Second, the quantum error correcting code, and the processing of the encoded information, result in a large physical hardware overhead. In this thesis, we propose and analyze a scheme based on repetition cat qubits to perform large scale quantum computation. The protection against the environment induced noise is achieved in two steps. First, the two-photon pumped cat qubits are arbitrarily well protected against bit-flip errors with the average number of photons in the cat state. Second, a repetition code protecting against phase-flips is implemented using cat qubits, thus producing a ``repetition cat qubit'' with very low logical error rate. In order to perform quantum computation with this protected qubit, we design a universal set of logical gates acting on the repetition cat qubit, that is compatible with the structure of the scheme. More precisely, the construction is achieved in two steps: first, the design of physical operations acting on cat qubits. These operations must be bias-preserving in order to preserve the natural protection against bit-flip errors. A particular attention has been devoted to proposing operations that could be experimentally realized in the next few years, within the framework of circuit quantum electrodynamics. Then, from the set of bias-preserving physical operations, we construct a universal set of logical operations on the repetition cat qubits.We hope that the resulting scheme, and the ideas developed for its construction, will prove useful for the construction of a large-scale quantum computer., La construction d'un ordinateur quantique est un défi technologique extrêmement difficile à cause de la fragilité des états quantiques qui servent de support de calcul. La réalisation d'une telle machine nécessite de construire un grand nombre de systèmes quantiques suffisamment protégés du bruit inévitable induit par l'environnement, afin que la durée de vie de l'information quantique encodée dans ces systèmes soit suffisamment grande devant le temps d'exécution typique d'un algorithme quantique. Paradoxalement, l'implémentation d'algorithmes suppose aussi la capacité de manipuler l'information. La théorie de la correction d'erreur quantique établit qu'il est possible de construire des systèmes quantiques de taille macroscopique, et pourtant arbitrairement bien protégés contre le bruit induit par l'environnement. En pratique, deux obstacles majeurs s'opposent à la réalisation physique de la correction d'erreur quantique. Le premier obstacle à surmonter est de parvenir à construire un système quantique ``de base'' pour lequel le niveau du bruit est déjà suffisamment bas, un résultat connu sous le nom de ``théorème du seuil''. Le second obstacle concerne la taille de l'ordinateur quantique: en effet, aussi bien le code correcteur d'erreur que la capacité à manipuler l'information logique sont responsables d'un important surcoût en matériel.L'objet de cette thèse est la construction et l'analyse d'un schéma particulier pour la réalisation d'un ordinateur quantique basé sur les qubits de chat répétés. La protection contre les erreurs est assurée en deux temps. D'abord, les qubits de chats utilisés sont arbitrairement bien protégés contre les erreurs dites de ``bit-flip'', lorsque le nombre moyen de photons dans les états de chat utilisés est suffisamment grand. Ensuite, un code de répétition contre les erreurs dites de ``phase-flip'' est construit à partir de ces qubits de chat. Le qubit logique résultant de cette construction est appelé le qubit de chat répété. Afin de réaliser du calcul quantique avec ce qubit, un ensemble universel de portes logiques pour les qubits de chat répétés est proposé dans cette thèse. La construction de ces portes logiques respecte la structure de la protection, afin de la préserver: les portes physiques construites au niveau des qubits de chat ont la propriété d'être ``bias-preserving'', c'est-à-dire qu'elles préservent la protection naturelle contre les erreurs de ``bit-flip''. Les propositions d'implémentation de ces portes ont été adaptées au maximum à la réalité des expériences contemporaines, afin que le schéma proposé puisse être raisonnablement implémenté d'ici quelques années. Enfin, à partir de ces portes physiques, un ensemble universel de portes logiques est construit au niveau du qubit de chat répété.Nous espérons que le schéma ainsi proposé, et les idées développées pour sa construction, seront utiles dans la réalisation d'un ordinateur quantique.

The second quantum revolution is underway with the promise of harnessing the full potential of quantum mechanics to develop new technologies. Among these innovations, the field of quantum information theory proposes a new paradigm to perform computation, outside of the classical computing framework based on 0/1 bit of information. Quantum computing offers a way to solve physics and computational problems that cannot be solved in reasonable time by classical computers by introducing quantum-bits (qubits) and quantum logic gates. However, quantum computers are prone to errors, requiring them to encode information from a single logical into multiple physical qubits. Thus, a universal quantum computer outperforming today’s supercomputers involves the control of millions of qubits, far from the dozens of qubits in current systems. In this context, spin qubits in quantum-dot (QD) arrays are a good candidate thanks to their compatibility with standard semiconductor manufacturing.In this thesis, we focus on the charge control of electrons inside arrays of quantum-dots. On the one hand, we demonstrate remote charge sensing in a CMOS nanowire, using an embedded single-lead quantum-dot (SLQD) electrometer. A unique electrode operates each QD, and the device is fabricated on a silicon-on-insulator 300-mm industry-standard fabrication line. We develop different detection schemes to compensate for the device’s strong capacitive couplings due to its dense packing. Consequently, we control the different double quantum-dots in a 2x2 QD array and probe the Coulomb disorder inside the structure.On the other hand, we demonstrate a scalable QD array formed by shared control gates with row/column addressing in a GaAs/AlGaAs heterostructure. Like classical integrated circuits, large-scale quantum-dot arrays must rely on shared controls to reduce the number of interconnects to √N, with N the number of QDs. Here, we show the charge control of electrons in a scalable 2x2 QD array isolated from the reservoirs. We characterize the array using the constant interaction model and assess its scalability. To conclude, these two experiments path the way towards charge controls in large-scale semiconductor QD arrays., La seconde révolution quantique est en cours et porte la promesse d'exploiter tout le potentiel de la mécanique quantique afin de développer de nouvelles technologies. Parmi ces innovations, le domaine de l'information quantique propose un nouveau paradigme de calcul, en dehors de l’ordinateur classique basé des bits d'information 0 ou 1. L'informatique quantique offre un moyen de résoudre des problèmes de physique et de calcul qui ne peuvent pas être résolus en un temps raisonnable par les ordinateurs classiques en introduisant des bits quantiques (qubits) et des portes logiques quantiques. Cependant, les ordinateurs quantiques sont sujets à des erreurs, ce qui les oblige à encoder l’information d'un qubit logique dans plusieurs qubits physiques. Ainsi, un ordinateur quantique universel surpassant les meilleurs supercalculateurs actuels implique le contrôle de millions de qubits, loin des dizaines de qubits des systèmes actuels. Dans ce contexte, les qubits de spin dans des tableaux de boîtes quantiques (BQ) sont un bon candidat grâce à leur compatibilité avec les processus de fabrication de l’industrie des semi-conducteurs.Dans cette thèse, nous développons la manipulation d’électrons à l'intérieur de réseaux de boîtes quantiques. D'une part, nous démontrons la détection de charge dans un nanofil CMOS à l'aide d'un électromètre intégré avec une boîte quantique reliée à un réservoir. Une unique électrode contrôle chaque BQ, et le dispositif est fabriqué sur une ligne de fabrication industriel. Nous développons différents schémas de détection pour compenser les forts couplages capacitifs du système, en raison de sa petite taille. Cela nous permet de contrôler les différents doubles boîtes quantiques dans un tableau 2x2 BQ et de sonder le désordre coulombien à l'intérieur de la structure.D'autre part, nous réalisons un tableau de BQ formé par des grilles de contrôles partagées avec un adressage ligne / colonne dans une hétérostructure GaAs / AlGaAs. Comme dans les circuits intégrés classiques, les réseaux de boîtes quantiques à grande échelle doivent s'appuyer sur des contrôles partagés pour réduire le nombre d'interconnexions à √N, avec N le nombre de BQ. Ici, nous montrons le contrôle d’électrons dans un tableau de 2x2 BQ isolé des réservoirs. Nous caractérisons le tableau à l'aide du modèle d'interaction constante et évaluons son évolutivité. Pour conclure, ces deux expériences mènent à contrôler la charge dans des matrices de BQ en semi-conducteurs à grande échelle.

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

In recent years, the investigation of causal relations in quantum theory has attracted a lot of interest. In particular, it has been found that it is possible to conceive of scenarios where some parties perform operations that are compatible with quantum theory locally, but that cannot be embedded into a global background causal structure. Such indefinite causal structures are of interest from a fundamental point of view, but also from the perspective of quantum information processing, since they do not fit into the usual paradigm of quantum circuits, which assumes a definite causal order. The main aim of this thesis is to study indefinite quantum causal relations involving more than two parties. Compared to the bipartite case, there are many new aspects and complications that arise in multipartite situations, which need to be clarified in order to fundamentally understand quantum causal structures, and to shed light on their implications and potential usefulness for quantum information processing.A suitable mathematical framework for the investigation of quantum causal relations is the process matrix formalism. In this framework, the notion of causal nonseparability was introduced in order to qualify scenarios that are incompatible with a definite causal order. In Chapter 2, we study how to generalise this concept to the multipartite case, how to characterise multipartite causally (non)separable quantum processes, and how to certify multipartite causal nonseparability. Another important topic is to determine which quantum scenarios with indefinite causal order are physically implementable, and how they can be realised concretely. In Chapter 3, we introduce two new classes of physically realisable multipartite quantum processes, and characterise them in terms of their process matrix descriptions. In particular, we define the class of quantum circuits with quantum control of causal order. The simplest example of such a circuit is the quantum switch, a protocol in which the order between two operations is controlled by a qubit in a superposition state, and which defines a causally nonseparable process. The class we introduce also contains more general examples of causally nonseparable processes with new features. We then show how the process matrix characterisation of this class allows us to search for new quantum information processing applications of causal nonseparability. In Chapter 4, we investigate a particular quantum communication effect in a scenario involving coherent control between two quantum channels. This leads us to a more general analysis of the notion of a coherently controlled channel, which involves certain subtilities. In Chapter 5, we turn to another problem that arises in multipartite scenarios, namely whether a given phenomenon is genuinely multipartite or not. More particularly, we study genuinely multipartite (non)causal correlations. In Chapter 6, we show that anomalous weak values are possible without post-selection. In Chapter 7, we show that certain tripartite process matrices, namely those that are unitarily extensible, have a realisation on so-called time-delocalised subsystems, i.e., quantum subsystems that are not associated with a definite time. The class of unitarily extensible tripartite process matrices is larger than the class of quantum circuits with quantum control, and in particular contains processes that violate so-called causal inequalities., Ces dernières années, une grande attention a été portée à l'étude des relations causales en théorie quantique. Plus particulièrement, il a été montré qu'il est possible de concevoir des scénarios dans lesquelles des parties réalisent des opérations qui sont compatibles avec la théorie quantique, mais qui ne peuvent pas être intégrées dans une structure causale globale. De tels ordres causaux indéfinis sont intéressants d'un point de vue fondamental, mais aussi sous l'angle de l'informatique quantique, étant donné qu'ils sortent du paradigme habituel des circuits quantiques, dans lequel on présuppose un ordre causal bien défini. L'objectif principal de cette thèse est d'étudier des relations causales indéfinies dans des scénarios comportant plus de deux parties. Comparées au cas bipartite, les situations multipartites font apparaître des aspects et problèmes nouveaux qui nécessitent d’être clarifiés afin de comprendre fondamentalement les structures causales quantiques indéfinies, et de mettre en évidence leurs implications et leur utilité potentielle pour l’informatique quantique.Une approche particulière pour étudier des relations causales quantiques est le formalisme des matrices de processus. Dans ce formalisme, le concept de la non-séparabilité causale a été introduit afin de qualifier des scénarios qui ne sont pas compatibles avec un ordre causal. Dans le chapitre 2, nous étudions comment généraliser ce concept au cas multipartite, comment caractériser des processus multipartites causalement (non)-séparables, et comment certifier la non-séparabilité causale multipartite. Un autre sujet important est de déterminer quels scénarios quantiques avec un ordre causal indéfini sont physiquement réalisables, et comment ils peuvent être réalisés concrètement. Dans le chapitre 3, nous introduisons deux nouvelles classes de processus quantiques multipartites qui sont réalisables en pratique et nous caractérisons les matrices de processus correspondantes. En particulier, nous définissons la classe des circuits quantiques avec un ordre causal contrôlé de manière quantique. L'exemple le plus simple d'un tel circuit est le quantum switch : un protocole dans lequel l'ordre entre deux opérations est contrôlé par un qubit dans un état de superposition, et qui définit un processus causalement non-séparable. La classe que nous introduisons contient des exemples plus généraux de processus causalement non-séparables avec de nouvelles propriétés. Nous montrons ensuite comment la caractérisation des processus de cette classe nous permet d'étudier de nouvelles applications de la non-séparabilité causale. Dans le chapitre 4, nous étudions un effet particulier de communication quantique dans un scénario avec un contrôle cohérent entre deux canaux quantiques. Ceci nous conduit à une analyse plus générale de la notion de canal quantique contrôlé de façon cohérente, qui implique certaines subtilités. Dans le chapitre 5, nous abordons un autre problème inhérent aux scénarios multipartites, qui est de savoir si un phénomène donné est véritablement multipartite (<< genuinely multipartite >>) ou non. Plus particulièrement, nous étudions des corrélations (non)-causales << véritablement multipartites >>. Dans le chapitre 6, nous mettons en évidence que des valeurs faibles anormales sont possibles sans post-sélection. Enfin, dans le chapitre 7, nous montrons qu'une certaine classe de matrices de processus tripartites, à savoir celles qui sont unitairement extensibles, ont une réalisation sur des sous-systèmes dits temporellement délocalisés, c'est-à-dire des sous-systèmes quantiques qui ne sont pas associés à un temps bien défini. Cette classe est plus grande que la classe des circuits quantiques avec un ordre causal contrôlé de manière quantique. Un point intéressant est qu'elle contient des processus qui violent des inégalités causales.

In recent years, the investigation of causal relations in quantum theory has attracted a lot of interest. In particular, it has been found that it is possible to conceive of scenarios where some parties perform operations that are compatible with quantum theory locally, but that cannot be embedded into a global background causal structure. Such indefinite causal structures are of interest from a fundamental point of view, but also from the perspective of quantum information processing, since they do not fit into the usual paradigm of quantum circuits, which assumes a definite causal order. The main aim of this thesis is to study indefinite quantum causal relations involving more than two parties. Compared to the bipartite case, there are many new aspects and complications that arise in multipartite situations, which need to be clarified in order to fundamentally understand quantum causal structures, and to shed light on their implications and potential usefulness for quantum information processing.A suitable mathematical framework for the investigation of quantum causal relations is the process matrix formalism. In this framework, the notion of causal nonseparability was introduced in order to qualify scenarios that are incompatible with a definite causal order. In Chapter 2, we study how to generalise this concept to the multipartite case, how to characterise multipartite causally (non)separable quantum processes, and how to certify multipartite causal nonseparability. Another important topic is to determine which quantum scenarios with indefinite causal order are physically implementable, and how they can be realised concretely. In Chapter 3, we introduce two new classes of physically realisable multipartite quantum processes, and characterise them in terms of their process matrix descriptions. In particular, we define the class of quantum circuits with quantum control of causal order. The simplest example of such a circuit is the quantum switch, a protocol in which the order between two operations is controlled by a qubit in a superposition state, and which defines a causally nonseparable process. The class we introduce also contains more general examples of causally nonseparable processes with new features. We then show how the process matrix characterisation of this class allows us to search for new quantum information processing applications of causal nonseparability. In Chapter 4, we investigate a particular quantum communication effect in a scenario involving coherent control between two quantum channels. This leads us to a more general analysis of the notion of a coherently controlled channel, which involves certain subtilities. In Chapter 5, we turn to another problem that arises in multipartite scenarios, namely whether a given phenomenon is genuinely multipartite or not. More particularly, we study genuinely multipartite (non)causal correlations. In Chapter 6, we show that anomalous weak values are possible without post-selection. In Chapter 7, we show that certain tripartite process matrices, namely those that are unitarily extensible, have a realisation on so-called time-delocalised subsystems, i.e., quantum subsystems that are not associated with a definite time. The class of unitarily extensible tripartite process matrices is larger than the class of quantum circuits with quantum control, and in particular contains processes that violate so-called causal inequalities.; Ces dernières années, une grande attention a été portée à l'étude des relations causales en théorie quantique. Plus particulièrement, il a été montré qu'il est possible de concevoir des scénarios dans lesquelles des parties réalisent des opérations qui sont compatibles avec la théorie quantique, mais qui ne peuvent pas être intégrées dans une structure causale globale. De tels ordres causaux indéfinis sont intéressants d'un point de vue fondamental, mais aussi sous l'angle de l'informatique quantique, étant donné qu'ils sortent du paradigme habituel des circuits quantiques, dans lequel on présuppose un ordre causal bien défini. L'objectif principal de cette thèse est d'étudier des relations causales indéfinies dans des scénarios comportant plus de deux parties. Comparées au cas bipartite, les situations multipartites font apparaître des aspects et problèmes nouveaux qui nécessitent d’être clarifiés afin de comprendre fondamentalement les structures causales quantiques indéfinies, et de mettre en évidence leurs implications et leur utilité potentielle pour l’informatique quantique.Une approche particulière pour étudier des relations causales quantiques est le formalisme des matrices de processus. Dans ce formalisme, le concept de la non-séparabilité causale a été introduit afin de qualifier des scénarios qui ne sont pas compatibles avec un ordre causal. Dans le chapitre 2, nous étudions comment généraliser ce concept au cas multipartite, comment caractériser des processus multipartites causalement (non)-séparables, et comment certifier la non-séparabilité causale multipartite. Un autre sujet important est de déterminer quels scénarios quantiques avec un ordre causal indéfini sont physiquement réalisables, et comment ils peuvent être réalisés concrètement. Dans le chapitre 3, nous introduisons deux nouvelles classes de processus quantiques multipartites qui sont réalisables en pratique et nous caractérisons les matrices de processus correspondantes. En particulier, nous définissons la classe des circuits quantiques avec un ordre causal contrôlé de manière quantique. L'exemple le plus simple d'un tel circuit est le quantum switch : un protocole dans lequel l'ordre entre deux opérations est contrôlé par un qubit dans un état de superposition, et qui définit un processus causalement non-séparable. La classe que nous introduisons contient des exemples plus généraux de processus causalement non-séparables avec de nouvelles propriétés. Nous montrons ensuite comment la caractérisation des processus de cette classe nous permet d'étudier de nouvelles applications de la non-séparabilité causale. Dans le chapitre 4, nous étudions un effet particulier de communication quantique dans un scénario avec un contrôle cohérent entre deux canaux quantiques. Ceci nous conduit à une analyse plus générale de la notion de canal quantique contrôlé de façon cohérente, qui implique certaines subtilités. Dans le chapitre 5, nous abordons un autre problème inhérent aux scénarios multipartites, qui est de savoir si un phénomène donné est véritablement multipartite (<< genuinely multipartite >>) ou non. Plus particulièrement, nous étudions des corrélations (non)-causales << véritablement multipartites >>. Dans le chapitre 6, nous mettons en évidence que des valeurs faibles anormales sont possibles sans post-sélection. Enfin, dans le chapitre 7, nous montrons qu'une certaine classe de matrices de processus tripartites, à savoir celles qui sont unitairement extensibles, ont une réalisation sur des sous-systèmes dits temporellement délocalisés, c'est-à-dire des sous-systèmes quantiques qui ne sont pas associés à un temps bien défini. Cette classe est plus grande que la classe des circuits quantiques avec un ordre causal contrôlé de manière quantique. Un point intéressant est qu'elle contient des processus qui violent des inégalités causales.

Spin quantum bits (qubits) are devices in which information is stored as a coherent superposition of two spin states of a particle. One of the perspectives of these devices is to exploit a massive parallelism allowed by such a superposition of solutions. The CEA Grenoble is studying in particular hole spin qubits in silicon, because their electrical manipulation is easier than electron qubits thanks to the strong spin-orbit coupling of the valence bands. This thesis thus focuses on the modeling of the electrical manipulation of these hole qubits. First of all, we introduce the k.p methods that describe the valence bands structure of silicon, and which allow to build numerical and analytical models. Then we present the experiments carried out by CEA Grenoble on these qubits derived from CMOS technologies. These experiments reveal the strong magnetic anisotropy of the Larmor and Rabi frequency, which respectively characterise the dynamic and the manipulation of the qubit. We introduce a gyromagnetic matrix formalism that completely describe these two frequencies.In addition, we show how symmetries impact the shape of this matrix, and how they explain the magnetic anisotropy of qubits. Next, we identify through numerical simulation, the microscopic mechanisms underlying the electrical manipulation of spin, which then allow us to build a minimal model for hole qubits. This model demonstrates that silicon is an ideal host material for a such qubit thanks to the strong anisotropy of its valence bands. Finally, we study numerically the impact of phonons on the lifetime of hole qubits. We show that the relaxation time is large enough to perform tens of thousand of operations despite the strong spin-orbit coupling., Les bits quantiques (qubits) de spin sont des dispositifs dans lesquels l'information est stockée comme une superposition cohérente des deux états de spin d'une particule. Une des perspectives de ces dispositifs est d'exploiter le parallélisme massif permis par une telle superposition de solutions. Le CEA Grenoble étudie notamment des qubits de spin de trou dans le silicium, car leur manipulation électrique est plus facile que les qubits d'électron grâce au couplage spin-orbite fort dans les bandes de valence. Cette thèse porte ainsi sur la modélisation de la manipulation électrique de ces qubits de trou. Tout d'abord, nous introduisons les méthodes k.p décrivant la structure des bandes de valence du silicium, et qui permettent de construire des modèles numériques et analytiques. Puis nous présentons les expériences menées au CEA Grenoble sur ces qubits dérivés des technologies CMOS. Ces expériences mettent en évidence les fortes anisotropies magnétiques des fréquences de Larmor et de Rabi, qui caractérisent respectivement la dynamique et la manipulation du qubit. Nous introduisons un formalisme de matrice gyromagnétique qui décrit complètement ces deux fréquences. De plus, nous montrons comment les symétries impactent la forme de cette matrice, et comment elles expliquent l'anisotropie magnétique des qubits. Ensuite, nous identifions grâce à la simulation numérique, les mécanismes microscopiques à l'œuvre lors de la manipulation électrique du spin, ce qui nous permet de construire un modèle minimal de qubit de trou. Ce modèle démontre que le silicium est un matériau hôte idéal pour un tel qubit grâce à la forte anisotropie de ces bandes de valence. Pour terminer, nous étudions numériquement l'impact des phonons sur le temps de vie des qubits de trou. Nous montrons que le temps de relaxation est suffisamment grand pour effectuer plusieurs dizaines de milliers d'opérations malgré le couplage spin-orbite fort.

This thesis is divided in two parts. Its starting point is the concept of resistance to localisation, an important concept in distributed quantum computing.In the first, theoretical part of this thesis, we go over the history of certain concepts and results in quantum information theory and distributed computing, such as the phenomenon of entanglement and the non-signalling condition in the first domain, and the LOCAL model and the colouring problem in the second domain. We then focus on the φ-LOCAL model, whose goal is to study the possibility of quantum distributed algorithms, and which was developedin 2009 by adapting the non-signalling condition to the LOCAL model. We introduce the concepts of global and local consistency in order to emphasise some shortcomings of this model. Finally, we present a more adequate version ofthe φ-LOCAL model.The second part of this thesis contains our major technical results in probability theory. We define the concept of k-localisability which is a probabilistic translation of the φ-LOCAL model. We show that this concept is close to but weaker than the concept of k-dependence which is well-studied in the probabilistic literature. We mention recent results concerning 1-dependent colouring of the path graph and the conclusion they allow us to reach with regards to 1-localisable colouring of the path graph : that it is possible with four or more colours. The rest of this part is dedicated to answering the question of the possibility of 1-localisable colouring of the path graph using three colours which we will show to be impossible. In answering this question we have made use of methods in linear programming and combinatorics. In particular, we prove a theorem on the explicit solution of a linear programming problem having a certain form, and a formula for the Catalan numbers.; Cette thèse suit un plan à deux parties. Le point de départ en est la notion de résistance à la localisation, qui est importante en calcul distribué quantique.Dans la première partie, qui est plutôt théorique, nous retraçons l’historique de certaines notions et résultats en information quantique et en calcul distribué, plus précisément le phénomène d’intrication et la condition non-signalling en information quantique et le modèle LOCAL et le problème de coloration en calcul distribué. Ensuite, nous évoquons le modèle φ-LOCAL, développé en 2009 comme adaptation de la condition non-signalling au modèle LOCAL dans le but d’étudier l’existence d’algorithmes distribués quantiques. Finalement, nous soulignons quelques limites du modèle φ-LOCAL à l’aide des notions de consistance globale et de consistance locale, et nous présentons une version plus adéquate de ce modèle.La deuxième partie comporte les principaux résultats techniques obtenus au cours de cette thèse dans le domaine de la théorie des probabilités. Nous introduisons la notion de k-localisabilité qui est une traduction probabiliste du modèle φ-LOCAL. Nous montrons en quoi cette notion est proche, mais plus faible, que la notion de k-dépendance, largement étudiée dans la littérature probabiliste. Nous évoquons des résultats récents autour de la coloration 1-dépendante du chemin qui permettent de conclure au sujet de la coloration 1-localisable du chemin : elle est possible dès qu’il y a plus de quatre couleurs. Dans la suite, nous traitons la question de la possibilité de la coloration 1-localisable du chemin à l’aide de trois couleurs : nous verrons qu’elle n’est pas possible. Pour répondre à cette question, nous avons eu recours à la programmation linéaire et à la combinatoire : en particulier, nous démontrons un théorème qui donne la solution explicite d’un programme linéaire ayant une forme particulière, ainsi qu’une formule pour les nombres de Catalan.

Here we examine standard signal processing issues, such as signal detection in noise, parametric estimation from noisy signals, transmission of information over a noisy channel, but in a quantum framework. We follow more specifically a specific thread, already well developed in classical, and constituted by the effects of useful noise or stochastic resonance phenomenon - situations of signal or information processing in the presence of noise, where the performance does not monotonically deteriorate when the noise level increases, but instead where the increase in noise can be beneficial to the processing. In the presence of quantum signals and noises, we thus highlight the possibility of such stochastic resonance effects, in tasks of detection, estimation or signal transmission. In these quantum signal processing studies, we also encounter a specifically quantum property consisting of entanglement. We also investigate the contribution of entanglement, with purely quantum benefits that are inaccessible in classical, obtained for signal processing tasks in the presence of noise that we are studying. We also consider two-dimensional signals that can be likened to digital processing of quantum images. The quantum signal processing studies developed here are mainly theoretical and numerical. In addition, we present experimental implementations that we have been able to achieve thanks to a quantum processor made accessible online by the IBM company (IBM Q 14 Melbourne processor of 14 qubits).; Nous examinons ici des problématiques standards du traitement du signal, comme la détection de signaux dans le bruit, l'estimation paramétrique à partir de signaux bruités, la transmission d'information sur un canal bruité, mais dans un cadre quantique. Nous suivons plus spécialement un fil conducteur spécifique, déjà bien développé en classique, et constitué par les effets de bruit utile ou phénomène de résonance stochastique – des situations de traitement du signal ou de l'information en présence de bruit, où la performance ne se dégrade pas de façon monotone lorsque le niveau du bruit augmente, mais au contraire où l'augmentation du bruit peut se révéler bénéfique au traitement. En présence de signaux et bruits quantiques, nous mettons ainsi en évidence la possibilité de tels effets de résonance stochastique, dans des tâches de détection, d'estimation ou de transmission de signal. Dans ces études de traitement du signal quantique, nous rencontrons également une propriété spécifiquement quantique constituée par l'intrication. Nous approfondissons aussi l'apport de l'intrication, avec des bénéfices purement quantiques inaccessibles en classique, obtenus pour les tâches de traitement du signal en présence de bruit que nous étudions. Nous considérons aussi des signaux à deux dimensions pouvant s'apparenter à du traitement numérique d'images en quantique. Les études de traitement du signal quantique développées ici sont principalement théoriques et numériques. En complément, nous présentons des mises en œuvre expérimentales que nous avons pu réaliser grâce à un processeur quantique rendu accessible en ligne par la compagnie IBM (processeur IBM Q 14 Melbourne à 14 qubits).

In this thesis, we develop control methods to stabilize quantum systems in continuous-time subject to quantum nondemolition measurements. In open-loop such quantum systems converge towards a random eigenstate of the measurement operator. The role of feedback is to prepare a prescribed eigenstate with unit probability. The novel element to achieve this is the introduction of an exogenous Brownian motion to drive the control actions. By using standard stochastic Lyapunov techniques, we show global exponential stability of the closed-loop dynamics. We explore as well the design of the control layer for a quantum error correction scheme in continuous-time. Another theme of interest is towards the implementation of efficiently computable control laws in experimental settings. In this direction, we propose the use control laws and of reduced-order filters which only track classical characteristics of the system, corresponding to the populations on the measurement eigenbasis. The formulation of these reduced filters is important to address the scalability issues of the filter posed by the advancement of quantum technologies., Dans cette thèse, nous développons des méthodes de contrôle pour stabiliser des systèmes quantiques en temps continu sous mesures quantiques non-destructives. En boucle ouverte, ces systèmes convergent vers un état propre de l'opérateur de mesure, mais l'état résultant est aléatoire. Le rôle du contrôle est de préparer un état prescrit avec une probabilité de un. Le nouvel élément pour atteindre cet objectif est l'utilisation d'un mouvement Brownien pour piloter les actions de contrôle. En utilisant la théorie stochastique de Lyapunov, nous montrons stabilité exponentielle globale du système en boucle fermés. Nous explorons aussi la syntèse du contrôle pour stabiliser un code correcteur d'erreurs quantiques en temps continu. Un autre sujet d'intérêt est l'implementation de contrôles efficacement calculables dans un contexte expérimental. Dans cette direction, nous proposons l'utilisation de contrôles et filtres qui calculent seulement les characteristiques classiques du système, correspondant a la base propre de l'opérateur de mesure. La formulation de dites filtres est importante pour adresser les problèmes de scalabilité du filtre posées par l'avancement des technologies quantiques.

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

At low temperatures, rare-earth doped matrices are promising supports for the development of quantum memories. Among them, Er³⁺:Y₂SiO₅ is well adapted to the current communication networks because of its transition at Telecom wavelength. However, quantum storage has a very limited efficiency and a short duration in this material. In this thesis, I study the interactions that hinder the coherence at low magnetic fields. In this regime, the dominant processes are flip-flops between opposite electronic spins of erbium ions and the super-hyperfine interaction with nuclear spins of yttrium ligands. I have included the strong anisotropy of the Y₂SiO₅ matrix in the calculation of these two dipolar interactions. In order to check the anisotropy of the flip-flops between erbium spins, I have used two different optical techniques : spectral hole-burning and transient excitation. I have showed that their rate is maximum when the magnetic field is perpendicular to the principal axis of the effective spin tensor. Moreover, the flip-flop probability globally increases as the square of the doping concentration and as the inverse of the field. Then I have also checked the calculations of super-hyperfine interactions by measuring photon echo modulations. I have found a particular situation where an erbium ion is strongly coupled to a single yttrium. On the contrary, the coupling to several ligands at very low magnetic fields drastically reduces the coherence time.; Aux basses températures, les matrices dopées aux ions terre-rare sont des systèmes prometteurs pour la réalisation de mémoires quantiques. Parmi elles, le système Er³⁺:Y₂SiO₅ a l'avantage de posséder une transition aux longueurs d'onde Télécom, adaptée aux réseaux de communication actuels. Cependant, aucun stockage quantique n'a pu être réalisé de manière efficace durant un temps suffisamment long dans ce matériau. L'objectif de cette thèse est de mieux comprendre les interactions limitant la cohérence du système aux faibles champs magnétiques. Dans ce cadre là, les interactions dominantes sont les basculements réciproques entre deux spins électroniques opposés des ions erbium et l'interaction super-hyperfine entre ces spins et les spins nucléaires des ligands yttrium. J'ai calculé la force et les caractéristiques de ces deux couplages dipolaires en incluant la grande anisotropie de la matrice Y₂SiO₅. J'ai alors pu vérifier l'effet de cette anisotropie sur les basculements réciproques des spins des ions erbium à l'aide de deux techniques optiques, le creusement de trou spectral et l'excitation transitoire. Le taux de ces basculements est maximisé lorsque le champ magnétique est orienté perpendiculairement à l'axe principal du tenseur caractérisant le spin effectif. Il augmente globalement comme le carré de la concentration en ions dopants et diminue avec le champ magnétique. Enfin, j'ai pu mesurer les caractéristiques des interactions super-hyperfines par le biais des modulations d'une décroissance d'écho de photon qu'elles provoquent. Il existe une configuration particulière où un couplage sélectif intervient entre les ions erbium et un unique yttrium de leurs environnements. Au contraire, le couplage à un nombre important d'ions ligands est responsable de la chute du temps de cohérence pour des champs magnétiques inférieurs à la dizaine de mT.

At low temperatures, rare-earth doped matrices are promising supports for the development of quantum memories. Among them, Er³⁺:Y₂SiO₅ is well adapted to the current communication networks because of its transition at Telecom wavelength. However, quantum storage has a very limited efficiency and a short duration in this material. In this thesis, I study the interactions that hinder the coherence at low magnetic fields. In this regime, the dominant processes are flip-flops between opposite electronic spins of erbium ions and the super-hyperfine interaction with nuclear spins of yttrium ligands. I have included the strong anisotropy of the Y₂SiO₅ matrix in the calculation of these two dipolar interactions. In order to check the anisotropy of the flip-flops between erbium spins, I have used two different optical techniques : spectral hole-burning and transient excitation. I have showed that their rate is maximum when the magnetic field is perpendicular to the principal axis of the effective spin tensor. Moreover, the flip-flop probability globally increases as the square of the doping concentration and as the inverse of the field. Then I have also checked the calculations of super-hyperfine interactions by measuring photon echo modulations. I have found a particular situation where an erbium ion is strongly coupled to a single yttrium. On the contrary, the coupling to several ligands at very low magnetic fields drastically reduces the coherence time.; Aux basses températures, les matrices dopées aux ions terre-rare sont des systèmes prometteurs pour la réalisation de mémoires quantiques. Parmi elles, le système Er³⁺:Y₂SiO₅ a l'avantage de posséder une transition aux longueurs d'onde Télécom, adaptée aux réseaux de communication actuels. Cependant, aucun stockage quantique n'a pu être réalisé de manière efficace durant un temps suffisamment long dans ce matériau. L'objectif de cette thèse est de mieux comprendre les interactions limitant la cohérence du système aux faibles champs magnétiques. Dans ce cadre là, les interactions dominantes sont les basculements réciproques entre deux spins électroniques opposés des ions erbium et l'interaction super-hyperfine entre ces spins et les spins nucléaires des ligands yttrium. J'ai calculé la force et les caractéristiques de ces deux couplages dipolaires en incluant la grande anisotropie de la matrice Y₂SiO₅. J'ai alors pu vérifier l'effet de cette anisotropie sur les basculements réciproques des spins des ions erbium à l'aide de deux techniques optiques, le creusement de trou spectral et l'excitation transitoire. Le taux de ces basculements est maximisé lorsque le champ magnétique est orienté perpendiculairement à l'axe principal du tenseur caractérisant le spin effectif. Il augmente globalement comme le carré de la concentration en ions dopants et diminue avec le champ magnétique. Enfin, j'ai pu mesurer les caractéristiques des interactions super-hyperfines par le biais des modulations d'une décroissance d'écho de photon qu'elles provoquent. Il existe une configuration particulière où un couplage sélectif intervient entre les ions erbium et un unique yttrium de leurs environnements. Au contraire, le couplage à un nombre important d'ions ligands est responsable de la chute du temps de cohérence pour des champs magnétiques inférieurs à la dizaine de mT.

Optical quantum technologies use light to transmit data and control other quantum systems. They give radical breakthrough in the fields of ultra-secured communications, sensors beyond classical range and simulations of quantum systems. To answer these highly-demanding applications, systems with multiple quantum degrees of freedom interfaced with both light and other quantum systems are necessary. However, this kind of hybrid architecture is currently not achievable at the solid state - a technology milestone. Recently, rare earth doped crystals have been identified as a promising alternative. Indeed, in the bulk state, theses materials have extremely long optical and spin coherence times, around the mililsecond and the hour respectively. Theses unique properties have enabled remarkable quantum effects like light-matter quantum teleportation at a telecom wavelength (Nat. Photonics 2014). Transposed to the nanoscale, they could enable the construction of quantum hybrid systems capable of new functions in the field of communication, opto-electronics or metrology. The aim of the project is to develop rare earth nanostructure doped crystals with long optical and spin coherence times. Theses materials will be obtained under the form of particles with a "bottom-up" approach, giving a great flexibility of morphology, size and chemical composition. It is necessary for a fine controle of the processes involved in dephasing and the coupling to other quantum systems. Characterisation will mainly be made using high-resolution spectroscopy. This project is supported by the great experience of the IRCP in the field of rare earth doped materials for quantum technologies (PRL 2014, Nat. Phys. 2015) and especially its recent breakthrough on nanocrystals (PRL 2013)., Les technologies optiques quantiques utilisent la lumière pour transmettre des données et contrôler d'autres systèmes quantiques. Elles offrent des avancées radicales dans les communications ultra-sécurisées, les capteurs dépassant les limites classiques et la simulation de systèmes quantiques. Pour répondre aux exigences très élevées de ces applications, des systèmes à degrés de liberté quantiques multiples pouvant être interfacés à la fois à la lumière et à d'autres systèmes quantiques sont nécessaires. Ce type d'architectures hybrides n'est cependant pas réalisable actuellement à l'état solide, un point clé du point de vue technologique. Récemment, les cristaux dopés par des ions terres rares ont été identifiés comme une alternative prometteuse. En effet, à l´état massif, ces matériaux présentent des temps de cohérence optiques et de spins extrêmement longs, respectivement de l'ordre de la ms et de l'heure. Ces propriétés tout à fait uniques ont permis d'obtenir des effets quantiques remarquables, comme la téléportation lumièrematière à une longueur d'onde télécom (Nat. Photonics 2014). Transposées à l'échelle nanométrique, elles permettraient de construire des systèmes hybrides quantiques capables de fonctionnalités inédites dans le domaine des communications, de l'opto-électronique ou de la métrologie. Ce projet a pour objectif le développement de cristaux dopés terres rares nanostructurés possédant de longs temps de cohérence optiques et de spins. Ces matériaux seront obtenus sous forme de particules par une approche "bottom-up", permettant une grande flexibilité de morphologie, de taille et de composition. Ceci est nécessaire pour un contrôle très fin des processus de déphasage et le couplage à d'autres systèmes quantiques. La caractérisation se fera en particulier par spectroscopie otique à très haute résolution. Ce projet s'appuie sur la grande expérience de l'IRCP dans les cristaux dopés terres rares pour les technologies quantiques (PRL 2014, Nat. Phys. 2015) et en particulier ses avancées récentes dans les nanocristaux (PRL 2013).

Entanglement detection is crucial and a necessity in the context of quantum information and quantum computation. This important task has proved to be quite hard for quantum systems of dimensions higher than 2×3, in which case, there exists well established necessary and sufficient conditions like Peres-Horodecki criterion.To tackle this challenge for bipartite systems, we introduce a mathematical framework to reduce the problem to entanglement in a two qubit system. This is done by mapping each subsystem locally into a qubit without increasing entanglement. The mapping is expressed in terms of expectation values of three arbitrary operators in the original state. We give necessary and sufficient conditions for such mapping to be valid from physical point of view, providing thence a versatile tool for dimension reduction in various applications.Our main use of this formalism is as a gate way to derive entanglement criteria for bipartite or multi-partite systemas based on existing ones derived for qubit systems. By mapping each subsystem locally into a qubit, applying entanglement criteria known for qubits on the resulting state automatically gives us entanglement criteria in terms of the chosen operators used to implement the mapping.For the multi-partite case, we focus on spin squeezing inequalities for qubits to derive entanglement criteria for general systems. However, when applying our formalism to this case, an interesting situation arises where one is able to obtain coherent superposition of multi-partite qubit states with different particle number. Hence, to derive better entanglement criteria, we had to consider quantum and/or classical fluctuationsthat may be exhibited by the particle number operator. We derive generalized form of Sørensen-Mølmer’s criterion and of spin squeezing inequalities for fluctuating particle number in terms of arbitrary collective operators. We applied our results to study entanglement in a system of ultra-cold Chromium atoms with spin s = 3 trapped in a bi-dimensional optical lattice incollaboration with Quantum Dipolar Gazes team in Laboratoire de Physique de Laser at Paris Nord 13 university. We showed, in a numerical simulation, that our generalized inequalities are able to detect entanglement in their system using collective operators. Moreover, we show that such observables can be measured using available techniques.; La détection de l’intrication est une étape indispensable dans le contexte de l’information et du calcul quantique. Cette tâche importante s’est avérée difficile pour les systèmes quantiques de grandes dimensions supérieures à 2 × 3, auquel cas il existe des conditions nécessaires et suffisantes bien établies.Notre approche consiste à réduire la dimensionalité du problème. Pour ce faire, on transforme, localement, chaque sous-système en un qubit sans créer de l’intrication. Le mapping est exprimé en fonction des valeurs moyennes de trois opérateurs arbitraires dans l’état original. Nous donnons des conditions nécessaires et suffisantes pour que cette transformation soit valide d'un point de vue physique. Nous exploitons ce formalisme pour dériver des critères d’intrication pour des systèmes bipartites ou multipartites sur la base des critères existants pour les qubits.En transformant localement chaque sous-système, l’application de critères d’intrication connus pour les qubits à l’état résultant induit automatiquement des critères d’intrication en fonction d’opérateurs utilisés pour réaliser le mapping.Pour le cas multipartite, on s’intéresse aux inégalités de compression de spin. Cependant, lorsqu’on applique notre formalisme à ce cas, il est possible d’obtenir une superposition cohérente d’états avec un nombre de particules différent. Par conséquent, pour obtenir de meilleurs critères, nous avons dû prendre en compte les fluctuations quantiques et/ou classiques que l’opérateur du nombre de particules peut présenter. Nous avons dérivé une forme généralisée des inégalités de spin squeezing pour un nombre de particules fluctuant et opérateurs collectifs arbitraires. Nous avons appliqué nos résultats à un système d’atomes de chrome ultrafroids piégés dans un réseau optique, en collaboration avec l’équipe Gazes Dipolaires Quantiques du Laboratoire LPL de l’Université Paris Nord 13. Nous avons montré, dans une simulation numérique, que nos inégalités généralisées sont capables de détecter l’intrication à l’aide d’opérateurs collectifs mesurables en utilisant des techniques accessibles dans dans ce type de dispositif.

In this thesis, we investigate the behavior of Josephson circuits under the action of strong microwave drives. Josephson circuits in the quantum regime are a building block to emulate a variety of Hamiltonians, useful to process quantum information. We are here considering a transmon device, made of a Josephson junction and a capacitor in parallel. Through numerical simulations and comparison with experimental results, we show that these drives lead to an instability which results in the escape of the circuit state into states which are no longer confined by the Josephson cosine potential. When the transmon occupies such states, the circuit behaves as if the junction had been removed and all non-linearities are lost, which translates into limitations on the emulated Hamiltonian strengths. In a second part, we propose and study an alternative circuit consisting of a transmon device with an extra inductive shunt, providing a harmonic confinement. This circuit is found to be stable for all pump powers. The dynamics of this circuit is also well captured by a time-averaged model, providing a useful tool for analytical investigation and fast numerical simulations. We developed a novel numerical approach that avoids the built-in limitations of perturbative analysis to investigate the dynamical behavior of both of these circuits. This approach, based on the Floquet-Markov theory, resulted in a modular simulation framework which can be used to study other Josephson-based circuits. Last, we study the properties of an asymmetric version of the Josephson Ring Modulator, a circuit currently used for amplification and conversion, as a more robust source of non-linearity to engineer two-photon and four-photon interaction Hamiltonians required for the catstate encoding of quantum information.; Dans cette thèse, nous étudions le comportement de circuits Josephson sous l'action de champs microondes forts. Les circuits Josephson dans le régime quantique sont une brique pour émuler une variété d'hamiltoniens, utiles pour traiter l'information quantique. Nous étudions ici le transmon, constitué d'une jonction Josephson et d'un condensateur en parallèle. À travers des simulations numériques et en comparant aux résultats expérimentaux, nous montrons que ces champs conduisent à une instabilité qui envoie le circuit sur des états qui ne sont plus confinés par le potentiel Josephson en cosinus. Quand le transmon occupe de tels états, le circuit se comporte comme si la jonction avait été remplacée par un interrupteur ouvert et toute non-linéarité est perdue, ce qui se traduit par des limitations sur les amplitudes maximales des hamiltoniens émulés. Dans une deuxième partie, nous proposons et étudions un circuit alternatif basé sur un transmon avec une inductance en parallèle, qui fournit un confinement harmonique. La dynamique de ce circuit est stable et bien capturée par un modèle moyennisé qui fournit alors un outil pratique pour l'analyse analytique ou les simulations rapides. Nous avons développé un nouvel outil de simulations modulaire et basé sur la théorie de FloquetMarkov pour permettre de simuler facilement d'autres circuits Josephson en évitant les limitations des analyses perturbatives. Enfin, nous étudions les propriétés d'une version asymétrique du Josephson Ring Modulator, un circuit actuellement utilisé pour l'amplification et la conversion, comme source de non-linéarité pour émuler les hamiltoniens d'interaction à deux et quatre photons requis pour l'encodage de l'information quantique sur des états de chats de Schrödinger.

In this thesis, we investigate the behavior of Josephson circuits under the action of strong microwave drives. Josephson circuits in the quantum regime are a building block to emulate a variety of Hamiltonians, useful to process quantum information. We are here considering a transmon device, made of a Josephson junction and a capacitor in parallel. Through numerical simulations and comparison with experimental results, we show that these drives lead to an instability which results in the escape of the circuit state into states which are no longer confined by the Josephson cosine potential. When the transmon occupies such states, the circuit behaves as if the junction had been removed and all non-linearities are lost, which translates into limitations on the emulated Hamiltonian strengths. In a second part, we propose and study an alternative circuit consisting of a transmon device with an extra inductive shunt, providing a harmonic confinement. This circuit is found to be stable for all pump powers. The dynamics of this circuit is also well captured by a time-averaged model, providing a useful tool for analytical investigation and fast numerical simulations. We developed a novel numerical approach that avoids the built-in limitations of perturbative analysis to investigate the dynamical behavior of both of these circuits. This approach, based on the Floquet-Markov theory, resulted in a modular simulation framework which can be used to study other Josephson-based circuits. Last, we study the properties of an asymmetric version of the Josephson Ring Modulator, a circuit currently used for amplification and conversion, as a more robust source of non-linearity to engineer two-photon and four-photon interaction Hamiltonians required for the catstate encoding of quantum information.; Dans cette thèse, nous étudions le comportement de circuits Josephson sous l'action de champs microondes forts. Les circuits Josephson dans le régime quantique sont une brique pour émuler une variété d'hamiltoniens, utiles pour traiter l'information quantique. Nous étudions ici le transmon, constitué d'une jonction Josephson et d'un condensateur en parallèle. À travers des simulations numériques et en comparant aux résultats expérimentaux, nous montrons que ces champs conduisent à une instabilité qui envoie le circuit sur des états qui ne sont plus confinés par le potentiel Josephson en cosinus. Quand le transmon occupe de tels états, le circuit se comporte comme si la jonction avait été remplacée par un interrupteur ouvert et toute non-linéarité est perdue, ce qui se traduit par des limitations sur les amplitudes maximales des hamiltoniens émulés. Dans une deuxième partie, nous proposons et étudions un circuit alternatif basé sur un transmon avec une inductance en parallèle, qui fournit un confinement harmonique. La dynamique de ce circuit est stable et bien capturée par un modèle moyennisé qui fournit alors un outil pratique pour l'analyse analytique ou les simulations rapides. Nous avons développé un nouvel outil de simulations modulaire et basé sur la théorie de FloquetMarkov pour permettre de simuler facilement d'autres circuits Josephson en évitant les limitations des analyses perturbatives. Enfin, nous étudions les propriétés d'une version asymétrique du Josephson Ring Modulator, un circuit actuellement utilisé pour l'amplification et la conversion, comme source de non-linéarité pour émuler les hamiltoniens d'interaction à deux et quatre photons requis pour l'encodage de l'information quantique sur des états de chats de Schrödinger.

Entanglement detection is crucial and a necessity in the context of quantum information and quantum computation. This important task has proved to be quite hard for quantum systems of dimensions higher than 2×3, in which case, there exists well established necessary and sufficient conditions like Peres-Horodecki criterion.To tackle this challenge for bipartite systems, we introduce a mathematical framework to reduce the problem to entanglement in a two qubit system. This is done by mapping each subsystem locally into a qubit without increasing entanglement. The mapping is expressed in terms of expectation values of three arbitrary operators in the original state. We give necessary and sufficient conditions for such mapping to be valid from physical point of view, providing thence a versatile tool for dimension reduction in various applications.Our main use of this formalism is as a gate way to derive entanglement criteria for bipartite or multi-partite systemas based on existing ones derived for qubit systems. By mapping each subsystem locally into a qubit, applying entanglement criteria known for qubits on the resulting state automatically gives us entanglement criteria in terms of the chosen operators used to implement the mapping.For the multi-partite case, we focus on spin squeezing inequalities for qubits to derive entanglement criteria for general systems. However, when applying our formalism to this case, an interesting situation arises where one is able to obtain coherent superposition of multi-partite qubit states with different particle number. Hence, to derive better entanglement criteria, we had to consider quantum and/or classical fluctuationsthat may be exhibited by the particle number operator. We derive generalized form of Sørensen-Mølmer’s criterion and of spin squeezing inequalities for fluctuating particle number in terms of arbitrary collective operators. We applied our results to study entanglement in a system of ultra-cold Chromium atoms with spin s = 3 trapped in a bi-dimensional optical lattice incollaboration with Quantum Dipolar Gazes team in Laboratoire de Physique de Laser at Paris Nord 13 university. We showed, in a numerical simulation, that our generalized inequalities are able to detect entanglement in their system using collective operators. Moreover, we show that such observables can be measured using available techniques., La détection de l’intrication est une étape indispensable dans le contexte de l’information et du calcul quantique. Cette tâche importante s’est avérée difficile pour les systèmes quantiques de grandes dimensions supérieures à 2 × 3, auquel cas il existe des conditions nécessaires et suffisantes bien établies.Notre approche consiste à réduire la dimensionalité du problème. Pour ce faire, on transforme, localement, chaque sous-système en un qubit sans créer de l’intrication. Le mapping est exprimé en fonction des valeurs moyennes de trois opérateurs arbitraires dans l’état original. Nous donnons des conditions nécessaires et suffisantes pour que cette transformation soit valide d'un point de vue physique. Nous exploitons ce formalisme pour dériver des critères d’intrication pour des systèmes bipartites ou multipartites sur la base des critères existants pour les qubits.En transformant localement chaque sous-système, l’application de critères d’intrication connus pour les qubits à l’état résultant induit automatiquement des critères d’intrication en fonction d’opérateurs utilisés pour réaliser le mapping.Pour le cas multipartite, on s’intéresse aux inégalités de compression de spin. Cependant, lorsqu’on applique notre formalisme à ce cas, il est possible d’obtenir une superposition cohérente d’états avec un nombre de particules différent. Par conséquent, pour obtenir de meilleurs critères, nous avons dû prendre en compte les fluctuations quantiques et/ou classiques que l’opérateur du nombre de particules peut présenter. Nous avons dérivé une forme généralisée des inégalités de spin squeezing pour un nombre de particules fluctuant et opérateurs collectifs arbitraires. Nous avons appliqué nos résultats à un système d’atomes de chrome ultrafroids piégés dans un réseau optique, en collaboration avec l’équipe Gazes Dipolaires Quantiques du Laboratoire LPL de l’Université Paris Nord 13. Nous avons montré, dans une simulation numérique, que nos inégalités généralisées sont capables de détecter l’intrication à l’aide d’opérateurs collectifs mesurables en utilisant des techniques accessibles dans dans ce type de dispositif.

Photon pair sources are an essential component of the emerging quantum information technology. Despite ingenious proposals being explored in the recent years based on either second order nonlinear processes in crystals and waveguides or on third order processes in fibers, limitations remain, due to losses and specifically coupling losses in the former case and due to Raman generation in silica, giving rise to a broad spectrum noise in the latter. These limitations have been challenging to lift because of the limited alternative nonlinear materials that fulfil the conditions for the generation of bright and high fidelity photon pairs in integrable photonic structures. In the present project, we develop a new and versatile type of photonic architecture for quantum information applications that offers access to a variety of nonlinear optical materials that are micro-structured in optical fiber forms to generate photon pairs, without the drawback of Raman scattering and with a large design parameter-space. Indeed, with a careful design of the HCPCF along with the appropriate choice of fluid, one can (i) control the dispersion and the transmission to generate photons with the most favourable phase-matching condition over a large spectral range, (ii) adjust the fibre core size and/or shape to enhance nonlinearity or the coupling efficiency with other fibres, (iii) totally suppress the Raman effect in monoatomic gases for instance or have only narrow and separated Raman lines that can thus be easily separated from the useful parametric lines in liquids., Les sources de paires de photons sont un composant essentiel des technologies émergentes en information quantique. De nombreux travaux ont permis des avancées importantes utilisant des processus non linéaires d'ordre 2 dans les cristaux et les guides d'ondes, et d'ordre 3 dans les fibres. Les limitations viennent dans le premier cas, des pertes et en particulier des pertes de couplage avec les fibres optiques et dans le second cas, du bruit dû à l'effet Raman dont le spectre est très large dans les fibres de silice. Ce projet propose une nouvelle architecture basée sur des fibres à cristal photonique à coeur creux (FCPCC) que l'on peut remplir de liquide ou de gaz non linéaire. Cette configuration permet la génération paramétrique de paires de photons corrélés par mélange à quatre ondes sans l'inconvénient de la diffusion Raman. Cette technologie offre une large gamme de paramètres à explorer en s'appuyant sur les propriétés physiques et linéaires contrôlables des FCPCC et la possibilité de remplissage de ces fibres avec des fluides aux propriétés non-linéaires variées. En effet, par une conception judicieuse de la FCPCC et un choix approprié du liquide ou du gaz, il est possible de (i) contrôler la dispersion et la transmission pour générer des photons corrélés sur une large gamme spectrale avec la condition d'accord de phase la plus favorable, (ii) d'ajuster la taille de coeur de la fibre et/ou sa forme pour augmenter sa non-linéarité ou son efficacité de couplage avec d'autres fibres et (iii) de s'affranchir totalement de l'effet Raman si on utilise par exemple un gaz monoatomique, ou d'obtenir des raies Raman fines, aisément discriminables des raies paramétriques dans le cas d'un liquide.

Photon pair sources are an essential component of the emerging quantum information technology. Despite ingenious proposals being explored in the recent years based on either second order nonlinear processes in crystals and waveguides or on third order processes in fibers, limitations remain, due to losses and specifically coupling losses in the former case and due to Raman generation in silica, giving rise to a broad spectrum noise in the latter. These limitations have been challenging to lift because of the limited alternative nonlinear materials that fulfil the conditions for the generation of bright and high fidelity photon pairs in integrable photonic structures. In the present project, we develop a new and versatile type of photonic architecture for quantum information applications that offers access to a variety of nonlinear optical materials that are micro-structured in optical fiber forms to generate photon pairs, without the drawback of Raman scattering and with a large design parameter-space. Indeed, with a careful design of the HCPCF along with the appropriate choice of fluid, one can (i) control the dispersion and the transmission to generate photons with the most favourable phase-matching condition over a large spectral range, (ii) adjust the fibre core size and/or shape to enhance nonlinearity or the coupling efficiency with other fibres, (iii) totally suppress the Raman effect in monoatomic gases for instance or have only narrow and separated Raman lines that can thus be easily separated from the useful parametric lines in liquids.; Les sources de paires de photons sont un composant essentiel des technologies émergentes en information quantique. De nombreux travaux ont permis des avancées importantes utilisant des processus non linéaires d'ordre 2 dans les cristaux et les guides d'ondes, et d'ordre 3 dans les fibres. Les limitations viennent dans le premier cas, des pertes et en particulier des pertes de couplage avec les fibres optiques et dans le second cas, du bruit dû à l'effet Raman dont le spectre est très large dans les fibres de silice. Ce projet propose une nouvelle architecture basée sur des fibres à cristal photonique à coeur creux (FCPCC) que l'on peut remplir de liquide ou de gaz non linéaire. Cette configuration permet la génération paramétrique de paires de photons corrélés par mélange à quatre ondes sans l'inconvénient de la diffusion Raman. Cette technologie offre une large gamme de paramètres à explorer en s'appuyant sur les propriétés physiques et linéaires contrôlables des FCPCC et la possibilité de remplissage de ces fibres avec des fluides aux propriétés non-linéaires variées. En effet, par une conception judicieuse de la FCPCC et un choix approprié du liquide ou du gaz, il est possible de (i) contrôler la dispersion et la transmission pour générer des photons corrélés sur une large gamme spectrale avec la condition d'accord de phase la plus favorable, (ii) d'ajuster la taille de coeur de la fibre et/ou sa forme pour augmenter sa non-linéarité ou son efficacité de couplage avec d'autres fibres et (iii) de s'affranchir totalement de l'effet Raman si on utilise par exemple un gaz monoatomique, ou d'obtenir des raies Raman fines, aisément discriminables des raies paramétriques dans le cas d'un liquide.

The realization of a quantum computer is one of the most ambitious and promising scientific objectives of the beginning of this century.The strength of quantum computing lies in its ability to use a superposition of states and the interferences between them to overcome the intrinsic limit of classical computers, which is the discrete description of the continuous physical phenomena. This would theoretically allow them to simplify and solve impossible problems for conventional computers.The first step in the realization of a quantum computer, is its basic block: the quantum-bit, or qubit. It is the quantum analogue of the classical bit, which stores information in the form of 0 or 1. In the quantum case, information is formed by the superposition of these two states, leading to an infinity of possibilities. If this step has been done many times by the community, using qubits of different natures, the coupling between several of them remains difficult and limited in number. Indeed, the quantum systems thus formed tend to lose their coherence; or said otherwise, to destroy itself.Among the many possibilities of existing qubit, I have used the nuclear spin. They have the advantage of being relatively well decoupled from their environment, which makes it possible to protect them from external sources of decoherence, and thus to have a longer lifetime than electronic spins.This advantage has a price: it is more difficult to access their reading.To do this, I have made a molecular transistor to connect a single molecule possessing two magnetic centers, the Tb2Pc3, to the source and drain electrodes. The monomolecular magnet used has two magnetic centers (the Tb3 + ions), whose electronic spins J = 6, are coupled to each other via a dipolar interaction. In addition, each of them is coupled to its nuclear spin I = 3/2 via the hyperfine interaction. We thus have a pair of two qudits (d = 4), which brings the size of the Hilbert space to 16, and this inside a single molecule.At first, I have developed the Zeeman diagram of the molecule, which is its energy response to an external magnetic field. Then, I detail the manufacture of the samples, and in particular the use of the electromigration technique. Next, I present the electrical transport measurements, at very low temperatures (milliKelvins) and under a magnetic field, which make it possible to detect the reversal of the electronic spins, which position is dependent on the state of the pair of nuclear spins: it is how the reading of the states of qudits couple is performed.A study of the dynamics of the system is then carried out by correlation measurements among the position of the reversals of the electronic spins between two consecutive scans. This gives a better visualization of the states of the system, but also its relaxation.Finally, I was able to extract its effective temperature, using a Maxwell-Boltzmann distribution. Of the order of 300 mT, it is consistent with the literature, as well as with those extracted on two other molecular transistors obtained at other times of my thesis.In summary, this thesis shows for the first time the use of a single-molecule transistor to access reading of a qudits couple. The large number of existing molecules, and the large number of qubits or qudits that could be coupled inside one of them, makes molecular spintronics a very promising way for possible future molecular quantum computers.The next step will be to operate the coherent manipulation of such a system, in particular via the use of the Stark effect, as it has already been done using a molecule having only a magnetic center., La réalisation d’un ordinateur quantique est l’un des objectifs scientifiques les plus ambitieux et prometteurs de ce début de siècle.La force du calcul quantique réside dans sa capacité à se placer dans une superposition d’états et à utiliser les interférences entre eux pour dépasser la limite intrinsèque des ordinateurs classiques, qui est la description discrète des phénomènes physiques pourtant continus. Cela leur permettrait théoriquement de simplifier et de résoudre des problèmes insolubles pour les ordinateurs classiques.La première étape dans la réalisation d’un ordinateur quantique est sa brique de base : le bit-quantique, ou qubit. Il s’agit de l’analogue quantique du bit classique, qui permet de stocker l’information sous la forme de 0 ou de 1. Dans le cas quantique, l’information est formée par la superposition de ces deux états, en un nombre infini de possibilités. Si cette étape a été réalisée à de nombreuses reprises par la communauté, en utilisant des qubits de différentes natures, le couplage entre plusieurs d’entre eux reste difficile et limité en nombre. En effet, le système quantique ainsi formé a tendance à perdre sa cohérence ; ou dit autrement, à se détruire.Parmi les nombreuses possibilités de qubit existant, j’utilise le spin nucléaire. Ils ont l’avantage d’être relativement bien découplés de leur environnement, ce qui permet de les protéger des sources extérieures de décohérence et ainsi d’avoir un temps de vie supérieur aux spins électroniques.Cet avantage a un prix : il est plus difficile d’accéder à leur lecture.Pour ce faire, j’ai fabriqué un transistor moléculaire afin de connecter une molécule unique à deux centres magnétiques, le Tb2Pc3, aux électrodes de source et drain. L’aimant monomoléculaire utilisé possède deux centres magnétiques (les ions Tb3+) dont les spins électroniques J=6 sont couplés entre eux via une interaction dipolaire. De plus, chacun d’entre eux est couplé à son spin nucléaire I=3/2 via l’interaction hyperfine. On a ainsi un couple de deux qudits (d=4), ce qui porte la dimension de l’espace de Hilbert à 16, et ce à l’intérieur d’une unique molécule.Dans un premier temps, j’ai élaboré le diagramme Zeeman de la molécule, qui est sa réponse énergétique à un champ magnétique extérieur. Je détaille ensuite la fabrication des échantillons, et notamment l’utilisation de la technique d’électromigration. Je présente ensuite les mesures en transport électrique, aux très basses températures (milliKelvins) et sous champ magnétique, qui permettent de détecter le retournement du couple de spins électroniques, dont la position est dépendante de l’état du couple de spins nucléaires : c’est ainsi qu’est réalisée la lecture des états du couple de qudits.Une étude de la dynamique du système est alors réalisée par des mesures de corrélations entre la position des retournements des spins électroniques entre deux balayages consécutifs. On obtient ainsi, à la fois une meilleure visualisation des états du système, mais aussi de sa relaxation entre deux balayages en champ magnétique.Enfin, j’ai pu extraire sa température effective à l’aide d’une distribution de Maxwell-Boltzmann. De l’ordre de 300 mT, elle est cohérente avec la littérature, ainsi qu’avec celles extraites sur deux autres transistors moléculaires obtenus à d’autres moments de ma thèse.En résumé, cette thèse montre pour la première fois l’utilisation d’un transistor à molécule unique pour accéder à lecture d’un couple de qudits. Le grand nombre de molécules existantes, et le grand nombre de qubits ou qudits qui pourrait y être couplé, fait de la spintronique moléculaire une voie très prometteuse vers de possibles futurs ordinateurs quantiques moléculaires.La prochaine étape sera d’opérer la manipulation cohérente d’un tel système, notamment via l’utilisation de l’effet Stark, comme cela a déjà été réalisé à l’aide d’une molécule ne comportant qu’un centre magnétique.

This thesis studies cryogenic electronics and quantum dots on silicon-on-insulator (SOI) for quantum computing. Different types of electron and hole quantum dots are fabricated with Leti's SOI nanowire (NW) and planar 28nm FD-SOI technology. In the first part, Pauli Spin Blockade (PSB) is studied for the first holes down to 60mK. We show that it is governed by a strong spin orbit coupling (SOC). The intradot relaxation rate of 120kHz was found for the first holes. The access barriers tunability realized with additional gates was proven to be efficient regarding the isolation of qubit from source/drain metallic leads. Following the recent demonstration of electron-dipole spin resonance (EDSR) achieved in electron quantum dots confined in the corners of silicon nanowire (CDs), we deeply investigated quantum dots in several multi-gate samples under different body-biasing conditions. Based on preliminary cryogenic transport measurements, an operation protocol for a compact two electron spin qubit gate has been proposed.Regarding cryogenic electronics required for an efficient control, manipulation and read-out of a large number of qubits, the low temperature digital and analog performance of 28nm FD-SOI MOSFETs was analysed from room temperature down to 4K. Significant improvements in transistor performance are achieved with a clear enhancement of carrier mobility and a strong reduction of subthreshold swing (SS), even for short-channel devices with gate length down to 28nm. The saturation of the subthreshold swing at low temperature is explained with a new analytical model developed in this thesis. By introducing a narrow tail in the density of states at the edges of the conduction and valence bands and using the Fermi-Dirac statistics, an excellent agreement of SS is achieved between experiments and modelling. The analysis of the SS-IDS metric under different forward body-biasing (FBB) conditions has revealed that the increased density of interface traps cannot be responsible for the SS saturation at low temperature. By adding a slight exponential variation in the interface trap density, we show that the SS-IDS curve can be well reproduced over more than 6 decades, paving a way for an efficient cryogenic design of CryoCMOS.In a second time, cryogenic performance of Ring Oscillators (RO) down to 4K was investigated. We have shown that the optimal supply voltage can be reduced down to 0.3V. This allows to efficiently reduce the dynamic and static power dissipations. At the same time, a small Energy-Delay product of 6.9fJ.ps with a delay per stage of 37ps were achieved at VDD=0.325V under aggressive FBB.Finally, in the last chapter, the duality of short-channel FD-SOI transistors operation as FETs or SETs is demonstrated at 4K. By benchmarking the QDs with respect to the common silicon platforms, we show that 28nm FD-SOI technology has a great potential for both cryogenic electronics and qubits.; Cette thèse étudie l’électronique cryogénique et la réalisation de boîtes quantiques (QD) sur substrat SOI pour le calcul quantique. Deux technologies sont proposées pour la démonstration de boîtes quantiques d’électrons/trous. La première s’appuie sur les dispositifs Trigate SOI développés au CEA-LETI et la seconde exploite la technologie FD-SOI 28nm développée par STMicroelectronics. Dans un premier temps, les dispositifs à double-grille du LETI sont mesurés à très basse température (60mK) pour mettre en avant le principe d’exclusion de Pauli pour les premiers trous confinés à l’intérieur des deux QD. Au travers de cette expérience réalisée sur un double QD nous étudions une brique élémentaire permettant à terme l’initialisation et la lecture d’un qubit. Cette expérience a par la suite été étendue à d’autres dispositifs possédant quatre grilles pour lesquels un protocole de mesure est proposé pour la démonstration de deux qubits de spin d’électron. Dans un second temps, nous avons adressé la question du contrôle, de la lecture et de la manipulation des qubits de spin par une électronique pouvant fonctionner à basse température. Les performances digitales et analogiques des transistors FD-SOI ont été étudiées sur une large gamme de température. La réduction de la température montre une nette amélioration de la mobilité des électrons et des trous mais également une plus faible pente sous le seuil (SS) qui s’accompagne également d’une augmentation de la tension de seuil (Vth). La saturation de la SS pour les faibles températures est expliquée à l’aide d’un modèle analytique développé dans le cadre de cette thèse. En modélisant une queue étroite de densité d'états près des bords des bandes de conduction et de valence et en utilisant la statistique de Fermi-Dirac, un excellent accord est obtenu entre les mesures et le modèle. L’ajout d’une variation exponentielle dans la densité de pièges d’interface permet de reproduire l’évolution de la SS sur plus de 6 décades de courant. Par ailleurs, nous montrons que l’effet d’une polarisation face arrière qui permet d’ajuster la Vth des transistors FD-SOI pour viser des applications haute performance ou basse consommation fonctionne parfaitement à basse température. La modulation de la Vth reste la même de 300K à 4K pour les grandes et petites longueurs de grille des transistors NMOS/PMOS. Afin de tirer avantage de la technologie FD-SOI et d’évaluer son intérêt pour l’électronique cryogénique, nous avons caractérisé plusieurs oscillateurs en anneaux (RO) jusqu’à 4K. L’étude a été réalisée en deux temps. Dans un premier temps, l’augmentation de la Vth à basse température n’a pas été corrigée. Puis, cette augmentation de la Vth a été corrigée grâce à la polarisation face arrière afin de conserver la même Vth que celle mesurée à 300K. Afin de conserver les avantages tirés des plus fortes mobilités des porteurs à basse température, nous montrons que la Vth doit être corrigée pour réduire significativement le délai de commutation d’une chaine d’inverseurs. Nous montrons qu’à 4K un régime de fonctionnement optimal alliant à la fois haute performance et basse consommation peut être obtenu avec une tension d’alimentation (VDD) de 0.3V contre 1V à 300K. Cela permet de réduire de façon significative la dissipation statique et dynamique des RO. Un produit Energie-Délai de 6.9fJ.ps avec un délai par étage de 37ps sont obtenus à VDD = 0.325V grâce à l’utilisation de la polarisation face arrière. Pour finir, nous discutons de la dualité des transistors FD-SOI canal court qui peuvent être utilisés soit comme MOSFET ou comme transistors à électron unique. La présence de QD dans les transistors FDSOI est démontrée avec des caractéristiques proches de celles obtenues avec d’autres architectures (type nanofil) offrant ainsi des perspectives intéressantes pour une future co-intégration d’une électronique cryogénique avec des qubits de spin réalisés à partir d’une même plateforme industrielle.

This thesis studies cryogenic electronics and quantum dots on silicon-on-insulator (SOI) for quantum computing. Different types of electron and hole quantum dots are fabricated with Leti's SOI nanowire (NW) and planar 28nm FD-SOI technology. In the first part, Pauli Spin Blockade (PSB) is studied for the first holes down to 60mK. We show that it is governed by a strong spin orbit coupling (SOC). The intradot relaxation rate of 120kHz was found for the first holes. The access barriers tunability realized with additional gates was proven to be efficient regarding the isolation of qubit from source/drain metallic leads. Following the recent demonstration of electron-dipole spin resonance (EDSR) achieved in electron quantum dots confined in the corners of silicon nanowire (CDs), we deeply investigated quantum dots in several multi-gate samples under different body-biasing conditions. Based on preliminary cryogenic transport measurements, an operation protocol for a compact two electron spin qubit gate has been proposed.Regarding cryogenic electronics required for an efficient control, manipulation and read-out of a large number of qubits, the low temperature digital and analog performance of 28nm FD-SOI MOSFETs was analysed from room temperature down to 4K. Significant improvements in transistor performance are achieved with a clear enhancement of carrier mobility and a strong reduction of subthreshold swing (SS), even for short-channel devices with gate length down to 28nm. The saturation of the subthreshold swing at low temperature is explained with a new analytical model developed in this thesis. By introducing a narrow tail in the density of states at the edges of the conduction and valence bands and using the Fermi-Dirac statistics, an excellent agreement of SS is achieved between experiments and modelling. The analysis of the SS-IDS metric under different forward body-biasing (FBB) conditions has revealed that the increased density of interface traps cannot be responsible for the SS saturation at low temperature. By adding a slight exponential variation in the interface trap density, we show that the SS-IDS curve can be well reproduced over more than 6 decades, paving a way for an efficient cryogenic design of CryoCMOS.In a second time, cryogenic performance of Ring Oscillators (RO) down to 4K was investigated. We have shown that the optimal supply voltage can be reduced down to 0.3V. This allows to efficiently reduce the dynamic and static power dissipations. At the same time, a small Energy-Delay product of 6.9fJ.ps with a delay per stage of 37ps were achieved at VDD=0.325V under aggressive FBB.Finally, in the last chapter, the duality of short-channel FD-SOI transistors operation as FETs or SETs is demonstrated at 4K. By benchmarking the QDs with respect to the common silicon platforms, we show that 28nm FD-SOI technology has a great potential for both cryogenic electronics and qubits., Cette thèse étudie l’électronique cryogénique et la réalisation de boîtes quantiques (QD) sur substrat SOI pour le calcul quantique. Deux technologies sont proposées pour la démonstration de boîtes quantiques d’électrons/trous. La première s’appuie sur les dispositifs Trigate SOI développés au CEA-LETI et la seconde exploite la technologie FD-SOI 28nm développée par STMicroelectronics. Dans un premier temps, les dispositifs à double-grille du LETI sont mesurés à très basse température (60mK) pour mettre en avant le principe d’exclusion de Pauli pour les premiers trous confinés à l’intérieur des deux QD. Au travers de cette expérience réalisée sur un double QD nous étudions une brique élémentaire permettant à terme l’initialisation et la lecture d’un qubit. Cette expérience a par la suite été étendue à d’autres dispositifs possédant quatre grilles pour lesquels un protocole de mesure est proposé pour la démonstration de deux qubits de spin d’électron. Dans un second temps, nous avons adressé la question du contrôle, de la lecture et de la manipulation des qubits de spin par une électronique pouvant fonctionner à basse température. Les performances digitales et analogiques des transistors FD-SOI ont été étudiées sur une large gamme de température. La réduction de la température montre une nette amélioration de la mobilité des électrons et des trous mais également une plus faible pente sous le seuil (SS) qui s’accompagne également d’une augmentation de la tension de seuil (Vth). La saturation de la SS pour les faibles températures est expliquée à l’aide d’un modèle analytique développé dans le cadre de cette thèse. En modélisant une queue étroite de densité d'états près des bords des bandes de conduction et de valence et en utilisant la statistique de Fermi-Dirac, un excellent accord est obtenu entre les mesures et le modèle. L’ajout d’une variation exponentielle dans la densité de pièges d’interface permet de reproduire l’évolution de la SS sur plus de 6 décades de courant. Par ailleurs, nous montrons que l’effet d’une polarisation face arrière qui permet d’ajuster la Vth des transistors FD-SOI pour viser des applications haute performance ou basse consommation fonctionne parfaitement à basse température. La modulation de la Vth reste la même de 300K à 4K pour les grandes et petites longueurs de grille des transistors NMOS/PMOS. Afin de tirer avantage de la technologie FD-SOI et d’évaluer son intérêt pour l’électronique cryogénique, nous avons caractérisé plusieurs oscillateurs en anneaux (RO) jusqu’à 4K. L’étude a été réalisée en deux temps. Dans un premier temps, l’augmentation de la Vth à basse température n’a pas été corrigée. Puis, cette augmentation de la Vth a été corrigée grâce à la polarisation face arrière afin de conserver la même Vth que celle mesurée à 300K. Afin de conserver les avantages tirés des plus fortes mobilités des porteurs à basse température, nous montrons que la Vth doit être corrigée pour réduire significativement le délai de commutation d’une chaine d’inverseurs. Nous montrons qu’à 4K un régime de fonctionnement optimal alliant à la fois haute performance et basse consommation peut être obtenu avec une tension d’alimentation (VDD) de 0.3V contre 1V à 300K. Cela permet de réduire de façon significative la dissipation statique et dynamique des RO. Un produit Energie-Délai de 6.9fJ.ps avec un délai par étage de 37ps sont obtenus à VDD = 0.325V grâce à l’utilisation de la polarisation face arrière. Pour finir, nous discutons de la dualité des transistors FD-SOI canal court qui peuvent être utilisés soit comme MOSFET ou comme transistors à électron unique. La présence de QD dans les transistors FDSOI est démontrée avec des caractéristiques proches de celles obtenues avec d’autres architectures (type nanofil) offrant ainsi des perspectives intéressantes pour une future co-intégration d’une électronique cryogénique avec des qubits de spin réalisés à partir d’une même plateforme industrielle.

Les solutions analytiques de réseaux photoniques avec revitalisation fractionnelle (FR) et transfert parfait (PST) d'état quantique sont examinées dans ce mémoire. L'approche utilisée pour les concevoir, basée sur les polynômes orthogonaux, est soulignée. Un catalogue de modèles analytiques avec PST est offert et de nouveaux résultats sur leurs propriétés de FR sont également inclus. L'approximation d'interaction aux plus proches voisins est utilisée le plus souvent. Deux solutions analytiques avec des interactions aux deuxièmes voisins sont également présentées. Un chapitre d'introduction portant sur la description du modèle selon le point de vue d'une chaîne de spins ainsi que sur la dérivation du modèle dans les réseaux photoniques à partir des équations de Maxwell précèdent l'article. Le deuxième système avec interactions jusqu'aux deuxièmes voisins est présenté dans l'appendice., The analytic specifications of photonic lattices with fractional revival (FR) and perfect state transfer (PST) are reviewed in this master's thesis. The approach to their design which is based on orthogonal polynomials is highlighted. A compendium of analytic models with PST is offered. New results on their FR properties are included. The nearest-neighbour approximation is adopted in most of the review ; two analytic examples with next-to-nearest neighbour interactions are also presented. An introductory chapter on the description of the model for the spin chain point of view and the derivation of the model in photonic lattices precedes the article. The second system with next-to-nearest neighbour interactions will be presented in the appendix.

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

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

Superconducting circuits stand among the most advanced quantum information processing platforms. They have nowadays reached a maturity that offers a high level of controllability and a large variety of interactions that can be precisely designed on demand. The Josephson mixer is one such superconducting device that performs three-wave mixing at microwave frequencies. In this thesis, we describe three experiments in which the Josephson mixer was used for different applications. First, we have realized an effective ultrastrong coupling of two bosonic modes that allowed us to study the ground state properties of this system, such as the single mode and the two mode squeezing of the emitted radiation. Second, we have built a quantum node, able to generate and distribute entanglement over a microwave quantum network, as well as to store and release quantum information on demand. We have integrated an ancilla qubit to this device in order to increase the degree of control over the quantum state of the system. Finally, we have pushed the Josephson mixer beyond the parametric oscillation instability threshold, where we have demonstrated an atypical injection locking technique that relies on coherent frequency conversion in this non-degenerate device., Les circuits supraconducteurs sont parmi les technologies de l'information quantique les plus avancées. Ils ont aujourd'hui atteint la maturité qui offre un grand degré de contrôle et une large gamme d'interactions qui peuvent être précisément réalisées sur mesure. Le mixeur Josephson est un exemple de circuit supraconducteur qui effectue le mixage à trois ondes aux fréquences micro-ondes. Dans cette thèse, trois expériences, où le mixeur Josephson est utilisé pour trois applications différentes sont décrites. D'abord, nous avons réalisé le couplage ultrafort effectif entre deux modes bosoniques afin d'étudier les propriétés de l'état fondamental de ce système, tels que le squeezing à un mode et à deux modes du champ radié. Ensuite, nous avons construit un nœud quantique, capable de créer et distribuer de l'intrication sur un réseau quantique micro-onde, alors que de stocker et relâcher de l'information quantique à demande. Nous avons intégré un qubit de mesure dans ce dispositif pour augmenter le degré de contrôle sur son état quantique. Finalement, nous avons poussé le mixeur Josephson au delà du seuil de l'oscillation paramétrique, où nous avons démontré une technique inhabituelle de verrouillage par injection en conversion de fréquence dans ce dispositif non-dégénéré.

A quantum theory of gravitation aims at describing the gravitational interaction at every scales of energy and distance. However, understanding the emergence of our classical spacetime is still an open issue in many proposals. This thesis analyzes this problem in loop quantum gravity with tools borrowed from quantum information theory.This is done in several steps. Since loop quantum gravity is still under construction, a pragmatic point of view is advocated and an ansazt for physical states of the gravitational field is studied at first, motivated from condensed matter physics and simple intuitions. We analyze the proposal of reconstructing geometry from correlations. Lessons on the quantum dynamics and the Hamiltonian constraint are extracted. The second aspect of this work focuses on the physics of sub-systems and especially the physics of their boundary. We begin by calculating the entanglement entropy between the interior and the exterior of the region, recovering the holographic law known from classical black hole physics. Then different boundary dynamics are studied, both in the isolated and open cases, which shed lights again on the fundamental dynamics. Finally, the last aspect of this research studies the dynamics of the boundary interacting with an environment whose degrees of freedom (gravitational or matter) forming the rest of the Universe and especially the decoherence it induces. This allows to discuss the quantum to classical transition and understand, in a given model, the pointer states of geometry.; Une théorie de gravitation quantique propose de décrire l'interaction gravitationnelle à toutes les échelles de distance et d'énergie. Cependant, comprendre l'émergence de notre espace-temps classique reste un problème toujours ouvert. Cette thèse s'y attaque en gravité quantique à boucles à partir d'outils de l'information quantique.Ceci est fait en plusieurs étapes. La gravité quantique à boucles étant toujours une théorie en cours de développement, un point de vue pragmatique est adopté en étudiant une classe d'état physique du champ gravitationnel, motivée à la fois par des intuitions simples et les résultats de la physique à N corps. Une analyse de la reconstruction de la géométrie à partir des corrélations peut être faite et des leçons peuvent être tirées sur la forme de la dynamique fondamentale. Dans un second temps, la physique des sous-systèmes est analysée en commençant d'abord par évaluer l'entropie d'intrication entre l'intérieur et l'extérieur de la région, permettant ainsi de retrouver la loi holographique de l'entropie des trous noirs et donnant une forme possible des états holographiques de la théorie. Plusieurs dynamiques de la frontière, vu comme un système isolé ou ouvert, sont ensuite analysées, éclairant de nouveau la forme de la dynamique fondamentale. Enfin, la dernière étape de ces recherches étudie la dynamique de la frontière en interaction avec un environnement formé des degrés de liberté (de matière ou gravitationnels) formant le reste de l'Univers et la décohérence sur la frontière qu'il induit. Ceci permet de discuter la transition quantique/classique et de mettre en lumière, dans un modèle donné, les états pointeurs de la géométrie.

A quantum (Q) computer (QC), i.e. utilizing the resources of Q physics, superposition of states and entanglement, could fournish an exponential gain in computing time. A simulation using such resources is called a Q simulation (QS). The advantage of QSs over classical ones is well established at the theoretical, i.e. software level. Their practical benefit requires their implementation on a Q hardware. The QC, i.e. the universal one (see below), has not seen the light of day yet, but the efforts in this direction are both growing and diverse. Also, QS has already been illustrated by numerous experimental proofs of principle, thanks too small-size and specific-task Q computers or simulators. Q walks (QWs) are particularly-studied QS schemes, being elementary bricks to conceive any Q algorithm, i.e. to achieve so-called universal Q computation. The present thesis is a step more towards a simulation of Q field theories based on discrete-time QWs (DTQWs). Indeed, it is shown, in certain cases, how DTQWs can simulate, in the continuum, the action of Yang-Mills gauge fields on fermionic matter, and the retroaction of the latter on the gauge-field dynamics. The suggested schemes preserve gauge invariance on the spacetime lattice, i.e. not only in the continuum. In the (1+2)D Abelian case, consistent lattice equivalents to both Maxwell’s equations and the current conservation are suggested. In the (1+1)D non-Abelian case, a lattice version of the non-Abelian field strength is suggested. Moreover, it is shown how this fermionic matter based on DTQWs can be coupled to relativistic gravitational fields of the continuum, i.e. to curved spacetimes, in several spatial dimensions.; Un ordinateur quantique (OQ), i.e. utilisant les ressources de la physique Q, superposition et intrication, pourrait fournir un gain exponentiel de temps de calcul. Une simulation utilisant ces ressources est appelée simulation Q (SQ). L’avantage des SQs sur les simulations classiques est bien établi au niveau théorique, i.e. software. Leur avantage pratique requiert un hardware Q. L’OQ, sous-entendu universel (cf. plus bas), n’a pas encore vu le jour, mais les efforts en ce sens sont croissants et variés. Aussi la SQ a-t-elle déjà été illustrée par de nombreuses expériences de principe, grâce à des calculateurs ou simulateurs Qs de taille réduite. Les marches Qs (MQs) sont des schémas de SQ particulièrement étudiés, étant des briques élémentaires pour concevoir n’importe quel algorithme Q, i.e. pour le calcul Q universel. La présente thèse est un pas de plus vers une simulation des théories Qs des champs basée sur les MQs à temps discret (MQTD). En effet, il est montré, dans certains cas, comment les MQTD peuvent simuler, au continu, l'action d'un champ de jauge Yang-Mills sur de la matière fermionique, et la rétroaction de cette-dernière sur la dynamique du champ de jauge. Les schémas proposés préservent l’invariance de jauge au niveau de la grille d’espace-temps, i.e. pas seulement au continu. Il est proposé (i) des équations de Maxwell sur grille, compatibles avec la conservation du courant sur la grille, et (ii) une courbure non-abélienne définie sur la grille. De plus, il est montré comment cette matière fermionique à base de MQTD peut être couplée à des champs gravitationnels relativistes du continu, i.e. des espaces-temps courbes, en dimension 1+2.

The main topic of this compilation thesis is the investigation of multipartite entanglement of finite dimensional systems. We developed a numerical algorithm that detects if a multipartite state is entangled or separable in a finite number of steps of a semi-definite optimization task. This method is an extension of previously known semi-definite methods, which are inconclusive when the state is separable. In our case, if the state is separable, an explicit decomposition into a mixture of separable states can be extracted. This was achieved by mapping the entanglement problem onto the mathematically well studied truncated moment problem.Additionally, a new way of writing the partially transposed state for symmetric multi-qubit states was developed which simplifies many results previously known in entanglement theory. This new way of writing the partial transpose criterion unifies different interpretations and alternative formulations of the partial transpose criterion and it is also a part in the aforementioned semi-definite algorithm.The geometric properties of entangled symmetric states of two qubits were studied in detail: We could answer the question of how far a given pure state is from the convex hull of symmetric separable states, as measured by the Hilbert-Schmidt distance, by giving an explicit formula for the closest separable symmetric state. For mixed states we could provide a numerical upper and analytical lower bound for this distance.For a larger number of qubits we investigated the ball of absolutely classical states, i.e.~symmetric multi-qubit states that stay separable under any unitary transformation. We found an analytical lower bound for the radius of this ball around the maximally mixed symmetric state and gave a numerical upper bound on this radius, by searching for an entangled state as close as possible to the maximally mixed symmetric state.The tensor representation of a symmetric multi-qubit state, or spin-j state, allowed us to study entanglement properties based on the spectrum of the tensor via tensor eigenvalues. The definiteness of this tensor relates to the entanglement of the state it represents and, hence, the smallest tensor eigenvalue can be used to detect entanglement. However, the tensor eigenvalues are more difficult to determine than the familiar matrix eigenvalues which made the investigation computationally more challenging.The relationship between the value of the smallest tensor eigenvalue and the amount of entanglement in the state was also investigated. It turned out that they are strongly correlated for small system sizes, i.e.~for up to six qubits. However, to investigate this correlation we needed an independent way to gauge the amount of entanglement of a state and in order to do so we improved existing numerical methods to determine the distance of a state to the set of separable symmetric states, using a combination of linear and quadratic programming.The tensor representation of symmetric multi-qubit states was also used to formally define a new tensor class of regularly decomposable tensors that corresponds to the set of separable symmetric multi-qubit states., Le thème central de cette thèse cumulative est l’étude de l’intrication multi-partite quantique pour des systèmes de dimension finie. Nous avons developpé un algorithme numérique basé sur un problème d’optimisation semi-définie, qui permet de décider si un état est intriqué ou pas en un nombre fini d’itérations. Cet algorithme est une extension d’algorithmes déjà connus qui ne permettent pas de conclure lorsque l’état en question est séparable. Dans notre cas, si l’état est séparable, l’algorithme permet d’obtenir une décomposition de l’état en une mixture d’états séparables. Ces résultats ont été obtenus en exploitant la correspondance entre le problème de l’intrication et le problème des moments tronqués (truncated moment problem). Nous avons aussi développé une nouvelle manière d’exprimer l’état partiellement transposé d’un état symétrique de plusieurs qubits, simplifiant par la-même nombre de résultats bien connus en théorie de l’intrication.Cette nouvelle manière d’écrire le critère de transposée partielle unifie différentes interprétations et formulations alternatives dudit critère, et fait partie intégrante de notre algorithme d’optimisation semi-définie.Nous avons aussi étudié en détails les propriétés géométriques des états intriqués de deux qubits : nous avons pu répondre à la question de savoir à quelle distance un état pur est de l’enveloppe convexe des états symétriques et séparables, en donnant une formule explicite de l’état symétrique et séparable le plus proche — la distance étant celle de Hilbert-Schmidt. Pour les états mixtes nous avons pu obtenir et une borne supérieure numérique et une borne inférieure analytique pour cette distance. Pour un plus grand6nombre de qubits, nous nous sommes intéressés à la boule des états absolument classique,c’est à dire des états symétriques de plusieurs qubits qui restent séparables sous n’importe quelle transformation unitaire. Nous avons trouvé une borne inférieure analytique pour le rayon de cette boule autour de l’état maximallement mixte ainsi qu’une borne supérieure numérique, cette dernière ayant été obtenue en cherchant un état intriqué aussi proche que possible de l’état maximallement mixte.La représentation tensorielle d’un état symétrique de plusieurs qubits, autrement dit de l’état d’un spin j, nous a permis d’étudier des propriétés de l’intrication en nous basant sur le spectre du tenseur (valeurs propres du tenseur). Le caractère défini du tenseur est relié à l’intrication de l’état qu’il représente, donnant la possibilité de détecter la présence d’intrication à l’aide de la valeur propre minimale du tenseur. Toutefois, les valeurs propres du tenseur sont autrement plus compliquée à calculer que les valeurs propres matricielle, rendant l’analyse numérique plus délicate. La relation entre la valeur propre minimale du tenseur et la quantité d’intrication présente dans l’état a aussi été étudiée.Il en ressort que les deux quantités sont étroitement corrélées pour des systèmes de petite taille, c’est à dire jusqu’à six qubits. L’étude de ces corrélations a nécessité une méthode indépendante pour jauger de la quantité d’intrication présente dans un état. Pour cela nous avons amélioré des méthodes numériques pour déterminer la distance entre un état et l’ensemble composé des états symétriques et séparables, en utilisant une combinaison d’algorithmes d’optimisation quadratique et d’optimisation linéaire. La représentation tensorielle des états symétriques de plusieurs qubits a aussi été utilisée pour définir formellement une nouvelle classe de tenseurs, appellés "regularly decomposable tensors",qui correspond à l’ensemble des états symétriques et séparables de plusieurs qubits.

The collective behavior of Rydberg gases is at the heart of many proposals for quantum information. This thesis treats two distinct topics: the collective dynamic of a Rydberg ensemble and the use of quantum repeaters across quantum networks.In the first part of this thesis, we choose to focus on a simple system involving Rydberg atoms: a 1-dimensional Rydberg gas coupled to a laser resonant with the Rydberg transition. Rydberg atoms interact together through the dipole-dipole interaction. This particular feature is used for quantum information purposes, like applying multi-qubits gates for example. This interaction is strong enough so that the dynamic of such system in the regime of few excitations in the gas ensemble is already intractable without any assumptions. One of them is the hardcore Rydberg sphere assumption: we approximate this interaction by a sphere around each excitation inhibiting any second excitation within it. Another one is to suppose that the system thermalizes in such regime; a statistical treatment could then be applied. We have investigated the thermalization of a 1D-Rydberg gas and evaluated the accuracy of the microcanonical ensemble predictions under the first assumption. To do so, we have numerically simulated the dynamic of such system constituted by 100 atoms, in the regime of at most two excitations in the chain, in the initial excitation-less state. Furthermore, we constructed a 6-dimensional analytical model. Comparing the three approaches together, we have concluded that the numerical simulation and the analytical model both agree together but contradicts the microcanonical treatment. In this regime, the microcanonical ensemble is unadapted.In the second part of this thesis, we have studied the distribution of entanglement across a generic quantum network. We have mapped these quantum networks to undirected graphs and studied two different routing scenarios:- the classical routing of quantum entanglement corresponding to the scenario where clients of the network can perform only a single Bell measurement or keep a single qubit. This is the usual model of quantum repeaters. On these networks, peer-to-peer communication problems are equivalent to the vertex disjoint path problem. When the peers are chosen by an adversary, we have found two limitations due to the topological genus and the minimum degree of the graph. We have found two network architectures (almost) saturating the most constraining one, the minimum degree inequality. For the case where the peers are chosen at random, we have studied a specific graph lying in a 2- or 3-dimensional manifold and investigated the trade-off between the quantum links and the number of peers that can communicate simultaneously through the network.- true quantum routing problem (using network coding) corresponding to the situation where the quantum network is composed by small quantum processors that could apply local gates. We focus on a particular communication problem, namely the butterfly network, where classical routing is impossible. Using network coding, this communication is solved., Le comportement collectif des atomes de Rydberg est au cœur de nombreux protocoles d'information quantique, notamment de répéteurs quantiques. Cette thèse traite de deux sujets distincts: la dynamique collective de nuages d'atomes de Rydberg et l'utilisation de répéteurs quantiques dans des réseaux complexes. Dans la première partie, nous étudions un système simple composé d'une chaîne 1D d'atomes de Rydberg couplée à un laser résonnant sur la transition vers un niveau de Rydberg dans le régime contenant quelques excitations. Les atomes de Rydberg sont soumis à une forte interaction dipolaire qui tend à empêcher l'excitation simultanée de deux atomes proches l'un de l'autre. C'est ce phénomène de blocage de Rydberg qui fait des atomes de Rydberg d'éminents candidats pour des protocoles d'information quantique. Ce blocage induit une distribution spatiale particulière des excitations le long de la chaîne d'atomes. Le calcul exact de cette distribution est souvent impossible en pratique même numériquement, et des approximations sont a priori nécessaires:- l'approximation des sphères de Rydberg dures: l'interaction dipolaire est modélisée par une sphère centrée autour de chaque excitation, à l'intérieur de laquelle toute autre excitation est impossible;- l'hypothèse de thermalisation: le système est supposé thermaliser, c'est-à-dire qu'après suffisamment de temps, même sans effets dissipatifs, le système tendra vers un état quasi-thermique qui peut être décrit par la physique statistique et plus précisément l'ensemble microcanonique. Cette thèse présente une étude de la thermalisation d'un ensemble 1D d'atomes de Rydberg et, plus particulièrement, de l'acuité des prédictions de l'ensemble microcanonique en supposant l'hypothèse des sphères dures. Nous avons simulé numériquement la dynamique d'un tel système composé de 100 atomes, dans le régime contenant au plus deux excitations dans l'ensemble. De plus, un modèle analytique à 6 dimensions est présenté. Comparant les trois approches, nous montrons que le modèle analytique corrobore la simulation numérique, tandis que simulation et modèle mis ensemble contredisent les prédictions microcanoniques. Dans ce régime, l'utilisation de cet ensemble est donc inadaptée. La seconde partie de cette thèse porte sur la distribution d'intrication dans un réseau de répéteurs quantiques. Ces derniers devraient permettre la communication quantique de deux parties distantes. Ces répéteurs quantiques sont presque toujours connectés en un réseau linéaire. Dans cette thèse, nous explorons les possibilités offertes par des réseaux arbitraires constitués de ces répéteurs connectant une multitude de clients. Nous avons représenté ces réseaux à l'aide de graphes non orientés. Nous avons étudié deux scénarios de routage:- le routage classique d'intrication qui corresponds au cas où des clients, très limités par leurs dispositifs quantiques, souhaitent partager des paires intriqués. Sur ces réseaux, les problèmes de communication sont équivalents à des problèmes de chemins disjoints. Lorsque les clients souhaitant communiquer ensemble (les terminaux) sont choisis par un adversaire, nous avons obtenu deux bornes: l'une proportionnelle au genre topologique, et l'autre au degré minimal du graphe. Nous proposons deux architectures de réseau saturant la plus contraignante, celle due au degré minimal. D'autre part, lorsque les clients sont répartis dans un espace à 2-3 dimensions, nous avons montré une limitation géométrique sur la fraction de clients pouvant communiquer simultanément.- le routage quantique utilisant le codage de réseau, qui correspond au cas où le réseau quantique est composé de petits processeurs quantiques capable d'effectuer des opérations locales. Nous avons étudié un problème de communication, le réseau papillon, où le routage classique de l'intrication entre deux paires de clients est impossible. Grâce au codage de réseau, nous avons résolu ce problème de communication.

In this thesis, we develop several tools in the direction of autonomous Quantum Error Correction (QEC) with superconducting qubits. We design an autonomous QEC scheme based on quantum reservoir engineering, in which transmon qubits are coupled to lossy modes. Through an engineered interaction between these systems, the entropy created by eventual errors is evacuated via the dissipative modes.The second part of this work focus on the recently developed cat codes, through which the logical information is encoded in the large Hilbert space of a harmonic oscillator. We propose a scheme to perform continuous and quantum non-demolition measurements of photon-number parity in a microwave cavity, which corresponds to the error syndrome in the cat code. In our design, we exploit the strongly nonlinear Hamiltonian of a highimpedance Josephson circuit, coupling ahigh-Q cavity storage cavity mode to a low-Q readout one. Last, as a follow up of the above results, we present several continuous and/or autonomous QEC schemes using the cat code. These schemes provide a robust protection against dominant error channels in the presence of multi-photon driven dissipation.; Dans cette thèse, nous développons plusieurs outils pour la Correction d’Erreur Quantique (CEQ) autonome avec les qubits supraconducteurs.Nous proposons un schéma de CEQ autonome qui repose sur la technique du « reservoir engineering », dans lequel trois qubits de type transmon sont couplés à un ou plusieurs modes dissipatifs. Grâce à la mise au point d’une interaction effective entre les systèmes, l’entropie créée par les éventuelles erreurs est évacuée à travers les modes dissipatifs.La deuxième partie de ce travail porte sur un type de code récemment développé, le code des chats, à travers lequel l’information logique est encodée dans le vaste espace de Hilbert d’un oscillateur harmonique. Nous proposons un protocole pour réaliser des mesures continues et non-perturbatrices de la parité du nombre de photons dans une cavité micro-onde, ce qui correspond au syndrome d’erreur pour le code des chats. Enfin, en utilisant les résultats précédents, nous présentons plusieurs protocoles de CEQ continus et/ou autonomes basés sur le code des chats. Ces protocoles offrent une protection robuste contre les canaux d’erreur dominants en présence de dissipation stimulée à plusieurs photons.

The application of quantum physics to the information theory turns out to be full of promises for our information society. Aware of this potential, groups of scientists all around the world have this common goal to create the quantum version of the computer. The first step of this ambitious project is the realization of the basic block that encodes the quantum information, the qubit. Among all existing qubits, spin based devices are very attractive since they reveal electrical read-out and coherent manipulation. Beyond this, the more isolated a system is, the longer its quantum behaviour remains, making of the nuclear spin a serious candidate for exhibiting long coherence time and consequently high numbers of quantum operation.In this context I worked on a molecular spin transistor consisting of a TbPc2 singlemolecule magnet coupled to electrodes (source, drain and gate) and a microwave antenna. This setup enabled us to read-out electrically both the electronic and the nuclear spin states and to coherently manipulate the nuclear spin of the Terbium ion. I focus during my Ph.D. on the study of the spins dynamic and mainly the 3/2 nuclear spin under the influence of a microwave pulse. The first step was to measure the energy difference between these statesleading in a second time to the coherent manipulation of the three nuclear spin transitions using only a microwave electric field. To further characterize the decoherence processes that break the phase of the nuclear spin states, I performed Ramsey and Hahn-echo measurements. These preliminary results show that we were in presence of three qubits with figure of merit higher than two thousands, thus meeting the expectations aroused by the use of a nuclearspin as the basic block of quantum information.More than demonstrating the qubit dynamic, I demonstrated that a nuclear spin embedded in the molecular magnet transistor is a four quantum states system that can be fully controlled, a qudit. Theoretical proposal demonstrated that quantum information processing such as quantum gates and algorithms could be implemented using a 3/2 spin. I focused on a research algorithm which is a succession of an Hadamard gate, that creates a coherent superposition of all the nuclear spin sates, and an unitary evolution, that amplified the amplitude of a desired state. It allows a quadratic speed-up to find an element in an unordered list compared to classical algorithm. During my Ph.D., I demonstrated the experimental proof of feasibility of this Grover like algorithm applied to a multi-levels system. The first step was to experimentally create coherent superposition of 2, 3 and 4 states. Then I measured coherent oscillations inbetween a 3 state superposition and a selected state which is the signature of the research algorithm implementation.In summary, this Ph.D. exposed the first quantum search algorithm on a single-molecule magnet based qudit. These results combined to the great versatility of molecular magnet holds a lot of promises for the next challenge: building up a scalable molecular based quantum computer., La physique quantique appliquée à la théorie de l’information se révèle être pleine de promesses pour notre société. Conscients de ce potentiel, des groupes de scientifiques du monde entier ont pour objectif commun de créer un ordinateur utilisant les principes de la mécanique quantique. La premières étape de cet ambitieux cheminement menant à l’ordinateur quantique est la réalisation du bloc de base de l’encodage quantique de l’information, le qubit. Dans le large choix de qubits existants, ceux utilisant un spin sont très attrayants puisqu’ilspeuvent être lus et manipulés de façon cohérente uniquement en utilisant des champs électriques. Enfin, plus un système est isolé, plus son comportement demeure quantique, ce qui fait du spin nucléaire un sérieux candidat dans la course aux long temps de cohérence et donc aux grands nombres d’opérations quantiques.Dans ce contexte, j’ai étudié un transistor de spin moléculaire. Ce dispositif, placé dans un réfrigérateur à dilution assurant des mesures à 40mK, est composé d’une molécule magnétique TbPc2 couplée à des électrodes (source, drain et grille) et à une antenne hyperfréquence. Il nous a permis de lire à l’aide d’une mesure de conductance, à la fois l’état de spin électronique et nucléaire de l’ion Terbium. Ma thèse se focalise sur l’étude de la dynamique de ces spins et plus particulièrement celle du spin nucléaire 3/2 sous l’influence d’un champ micro-onde. La première étape consiste à mesurer la différence d’énergie entreces quatre états de spin nucléaire pour ensuite parvenir à manipuler de façon cohérente ses trois transitions en utilisant uniquement un champ électrique. Pour caractériser davantage les processus de décohérence à l’origine de la perte de phase des états quantique, j’ai réalisé des mesures Ramsey et Hahn-echo révélant des temps de cohérence de l’ordre de 0.3ms. Ces résultats préliminaires montrent que nous sommes en présence de 3 qubits ayant une figure de mérite supérieure à deux milles, répondant ainsi aux attentes suscitées par l’utilisation d’un spin nucléaire comme bloc de base de l’information quantique.Plus que démontrer expérimentalement la dynamique de trois qubits, ces mesures nous prouvent qu’un spin nucléaire intégré dans une géométrie de type transistor à aimant moléculaire est un système à quatre états contrôlé de façon cohérente. Des propositions théoriques démontrent qu’un traitement quantique de l’information, telle que l’application de portes quantiques et la réalisation d’algorithmes, peuvent être implémentées sur un tel système. Je me suis concentré sur un algorithme de recherche. Il s’agit de la succession d’une porteHadamard, qui crée une superposition cohérente de tous les états de spin nucléaire, et une évolution unitaire qui amplifie l’amplitude d’un état désiré. Il permet une accélération quadratique de la recherche d’un élément dans une liste non ordonnée comparée à un algorithme classique. Pendant ma thèse, j’ai apporté la preuve expérimentale de la faisabilité de cet algorithme de Grover sur un système à plusieurs niveaux. La première étape a été de créer une superposition cohérente de 2, 3 et 4 états par l’application d’un pulsation radio-fréquence. Enfin, j’ai mesuré une oscillation cohérente entre une superposition de trois états et un état sélectionné qui est la signature de l’implémentation de l’algorithme de recherche.En résumé, cette thèse expose la première implémentation d’un algorithme quantique de recherche sur un qudit de type aimant moléculaire. Ces résultats, combinés à la grande polyvalence des molécules magnétiques, sont autant de promesses pour la suite de ce défi scientifique qu’est la construction d’un ordinateur quantique moléculaire.