Le concept d’interférométrie quantique en lumière blanche est introduit et appliqué à la mesure de dispersion chromatique avec une précision inégalée.Dans cette présentation, nous introduirons d’abord le concept de l’interférométrie quantique en lumière blanche avec un état N00N à deux photons (N = 2). Nous montrerons que la phase optique peut être déduite de la mesure d’un interférogramme dans le domaine spectral. Hormis le doublage de la sensibilité en phase, nous montrerons également que l’interférométrie quantique apporte plusieurs avantages importants qui dépassent les capacités de l’interférométrie en lumière blanche standard. Par exemple, la version quantique ne nécessite pas que l’interféromètre soit équilibré, permettant ainsi des séries de me- sures avec des échantillons possédant diverses épaisseurs et/ou propriétés optiques. Par ailleurs, pour les mesures de la dispersion chromatique, le traitement des données est considérablement simplifié. Ceci est rendu possible grâce à l’intrication en énergie-temps portée par les paires de photons qui induit l’annulation automatique du terme (parasite) de la dispersion au troisième ordre. L’exploitation de ces avantages nous a permis d’effectuer une mesure de la dispersion chromatique dans une fibre optique standard (longueur de 1 m) avec une précision qui dépasse l’état de l’art par un facteur 2.6, bien que nous utilisions ∼ 20 fois moins de photons en moyenne sur la fenêtre spectrale d’observation, par rapport aux meilleurs réalisations classiques. La combinaison des avantages fondamentaux (sensibilité en phase doublée) et conceptuels (pas de nécessité d’équilibrer l’interféromètre, traitement de données simplifié, moins de photons nécessaires) permet d’effectuer les mesures dans des temps comparables à ceux des appareils classiques. Notre approche représente ainsi une méthode très intéressante pour les applications de la métrologie quantique en dehors du laboratoire.
Le concept d’interférométrie quantique en lumière blanche est introduit et appliqué à la mesure de dispersion chromatique avec une précision inégalée.Dans cette présentation, nous introduirons d’abord le concept de l’interférométrie quantique en lumière blanche avec un état N00N à deux photons (N = 2). Nous montrerons que la phase optique peut être déduite de la mesure d’un interférogramme dans le domaine spectral. Hormis le doublage de la sensibilité en phase, nous montrerons également que l’interférométrie quantique apporte plusieurs avantages importants qui dépassent les capacités de l’interférométrie en lumière blanche standard. Par exemple, la version quantique ne nécessite pas que l’interféromètre soit équilibré, permettant ainsi des séries de me- sures avec des échantillons possédant diverses épaisseurs et/ou propriétés optiques. Par ailleurs, pour les mesures de la dispersion chromatique, le traitement des données est considérablement simplifié. Ceci est rendu possible grâce à l’intrication en énergie-temps portée par les paires de photons qui induit l’annulation automatique du terme (parasite) de la dispersion au troisième ordre. L’exploitation de ces avantages nous a permis d’effectuer une mesure de la dispersion chromatique dans une fibre optique standard (longueur de 1 m) avec une précision qui dépasse l’état de l’art par un facteur 2.6, bien que nous utilisions ∼ 20 fois moins de photons en moyenne sur la fenêtre spectrale d’observation, par rapport aux meilleurs réalisations classiques. La combinaison des avantages fondamentaux (sensibilité en phase doublée) et conceptuels (pas de nécessité d’équilibrer l’interféromètre, traitement de données simplifié, moins de photons nécessaires) permet d’effectuer les mesures dans des temps comparables à ceux des appareils classiques. Notre approche représente ainsi une méthode très intéressante pour les applications de la métrologie quantique en dehors du laboratoire.
Le travail effectué dans cette thèse utilise les paires de photons intriqués comme ressource de base pour la mesure de la phase optique de systèmes interférométriques. En effet, ces paires possèdent des propriétés dites non-locales leur permettant d'accroître à la fois la sensibilité et la résolution de la mesure comparée à une expérience utilisant de la lumière classique. Dans ce manuscrit, nous verrons comment ces paires peuvent être générées et leurs propriétés exploitées pour mesurer les caractéristiques optiques des matériaux, en particulier leurs propriétés dispersives. Pour cela, plusieurs approches seront utilisées. Dans un premier temps, nous verrons comment cette mesure peut être effectuée sur un interféromètre non stabilisé en s'appuyant sur la relation liant la visibilité des franges d'interférences à deux photons à la dispersion chromatique. Dans un second temps, on montrera que les interféromètres non-linéaires, couplés à une approche spectrale, permet d'effectuer une mesure de la dispersion chromatique dont la précision dépasse d'un ordre de grandeur les mesures à l'état de l'art. Par la suite, nous verrons comment le régime impulsionnel généralise l'interférométrie en régime continu et permet la mesure de la dispersion chromatique sur une plage spectrale équivalente à deux fois la largeur fréquentielle du faisceau de pompe. Enfin, on appliquera les notions développées sur l'interférométrie non-linéaire au régime impulsionnel pour l'ingénierie d'états quantiques nécessaires aux domaines de l'information et du calcul quantique.
Le travail effectué dans cette thèse utilise les paires de photons intriqués comme ressource de base pour la mesure de la phase optique de systèmes interférométriques. En effet, ces paires possèdent des propriétés dites non-locales leur permettant d'accroître à la fois la sensibilité et la résolution de la mesure comparée à une expérience utilisant de la lumière classique. Dans ce manuscrit, nous verrons comment ces paires peuvent être générées et leurs propriétés exploitées pour mesurer les caractéristiques optiques des matériaux, en particulier leurs propriétés dispersives. Pour cela, plusieurs approches seront utilisées. Dans un premier temps, nous verrons comment cette mesure peut être effectuée sur un interféromètre non stabilisé en s'appuyant sur la relation liant la visibilité des franges d'interférences à deux photons à la dispersion chromatique. Dans un second temps, on montrera que les interféromètres non-linéaires, couplés à une approche spectrale, permet d'effectuer une mesure de la dispersion chromatique dont la précision dépasse d'un ordre de grandeur les mesures à l'état de l'art. Par la suite, nous verrons comment le régime impulsionnel généralise l'interférométrie en régime continu et permet la mesure de la dispersion chromatique sur une plage spectrale équivalente à deux fois la largeur fréquentielle du faisceau de pompe. Enfin, on appliquera les notions développées sur l'interférométrie non-linéaire au régime impulsionnel pour l'ingénierie d'états quantiques nécessaires aux domaines de l'information et du calcul quantique.
Vers les technologies quantiques basées sur l’intrication photonique Le but de cette thèse est de développer des sources d’intrication photonique en vue d'applications en sciences information quantique. Dans ce contexte, nous présentons une source très performante et entièrement guidée permettant, au moyen d'une boucle de Sagnac, la génération d'états hyper-intriqués en polarisation et en énergie-temps. La configuration guidée rend le dispositif versatile, efficace et compatible avec une large bande spectrale, répondant ainsi au besoin des systèmes et réseaux de communication fibrés. À cette fin, nous avons distribué simultanément dans différents canaux télécoms des paires de photons hyper-intriqués au moyen de multiplexeurs en longueur d'onde à 5 canaux (DWDM), augmentant de fait le débit. La qualité de l'intrication est validée par la violation d'une inégalité de Bell étendue à un espace de Hilbert à 16 dimensions. Afin de pouvoir interfacer des photons aux longueurs d'ondes des télécommunications avec les bandes d'absorption des mémoires quantiques situées dans le visible, nous avons également développé une interface cohérente en longueur d'ondes. Un nouveau dispositif de métrologie quantique permettant la mesure avec une précision inégalée des effets de la dispersion chromatique dans les fibres optiques standards est également proposé. Notre approche "quantique" améliore la précision par un facteur 2.6 par rapport aux méthodes de mesures conventionnelles. Dans ce même contexte, nous avons aussi implémenté un nouveau protocole de métrologie de la phase de deux photons en ne détectant uniquement qu'un seul photon. Cette réalisation ouvre la voie à des applications potentielles simples s'appuyant sur peu de ressources au niveau de la détection. Finalement, dans la perspective de la miniaturisation de dispositifs quantiques, nous avons démontré un générateur d'intrication annoncée intégré sur puce qui trouve des applications en calcul et métrologie quantique.
Une source de lumière comporte des bruits d'origine classique (dus aux vibrations mécaniques, aux fluctuations thermiques...) qu'il est en principe toujours possible d'éliminer et un bruit d'origine spécifiquement quantique lié à la nature corpusculaire de la lumière. Ce bruit de photon appelé aussi bruit quantique standard ou bruit de grenaille a longtemps été considéré comme une limite infranchissable pour la sensibilité des mesures optiques. On sait maintenant qu'il existe des états du champ électromagnétique qui permettent de dépasser cette 'limite quantique standard'. Ces états comprimés du champ sont dans la plupart des cas créés par des effets d'optique non linéaire. En particulier, ils peuvent être produits par un Oscillateur Paramétrique Optique (OPO). Un OPO constitué par un cristal non-linéaire inséré dans une cavité optique, et excité par une onde pompe intense, génère par effet paramétrique deux nouvelles ondes dites signal et complémentaire. Il est possible de réduire sous le bruit quantique standard les fluctuations associées à ces trois ondes. En particulier, par interaction paramétrique, un photon de pompe est converti simultanément en un photon du signal et un photon du complémentaire. Un OPO génère ainsi des faisceaux corrélés temporellement au niveau quantique et appelés faisceaux jumeaux. De plus, lorsque la pompe est une onde plane, et que les fréquences du signal et complémentaire sont voisines, par l'interaction paramétrique signal et complémentaires sont émis symétriquement par rapport à la direction de propagation de la pompe et sont donc aussi corrélés spatialement au niveau quantique. La réduction sous la limite quantique standard du bruit de l'onde pompe réfléchie par la cavité est une illustration des potentialités de compression de l'OPO. Celle-ci a été mise en évidence dans un OPO fonctionnant avec un cristal à quasi accord de phase et émettant des faisceaux à une longueur d'onde voisine de 2Μm. Les faisceaux jumeaux constituent un autre exemple de faisceaux non-classiques émis par l'OPO. Ils peuvent être utilisés pour améliorer la sensibilité ultime de certaines mesures. En particulier, la corrélation de faisceaux jumeaux a été exploitée pour réaliser une mesure d'absorption dans le rubidium avec une sensibilité non limitée par le bruit quantique standard. Dans un OPO dégénéré en modes transverses, pour lequel l'émission est multimode, la compression des fluctuations peut s'observer en théorie à l'échelle locale en ne mesurant le bruit que sur une partie du faisceau. De plus un tel OPO doit permettre d'observer des corrélations quantiques spatiales entre différentes parties des faisceaux. Expérimentalement, il a été montré que dans un OPO confocal, l'émission, multimode, possède des corrélations locales. Des faisceaux possédant une corrélation quantique spatiale ont permis de mesurer le petit déplacement d'un faisceau avec une sensibilité supérieure à la limite quantique standard.
Photonique quantique sur puce AlGaAs : des études fondamentales aux applications dans les protocoles d'information quantique Le domaine des technologies quantiques, qui vise à manipuler des systèmes quantiques individuels tels que les atomes et les photons, a connu des avancées significatives ces dernières années, ouvrant de nouvelles perspectives dans les domaines du calcul, de la simulation, de la communication et de la métrologie. La photonique quantique intégrée se présente comme une approche prometteuse pour la miniaturisation et la mise à l'échelle de ces technologies, permettant la génération, la manipulation et la détection d'états quantiques de la lumière directement sur puce. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur la plateforme AlGaAs, qui combine plusieurs avantages pour le développement de dispositifs photoniques quantiques intégrés (bande interdite directe, fortes non-linéarités de deuxième et troisième ordre, effet électrooptique), et qui est un choix attractif pour la génération de paires de photons intriqués à température ambiante et à des longueurs d'onde télécom. le travail présenté dans ce manuscrit s'articule autour de trois parties principales. La première, consacrée l'intégration de plusieurs fonctionnalités sur une puce monolithique en AlGaAs, a permis la génération de paires de photons à large spectre et leur séparation en polarisation directement sur puce. Dans la deuxième partie, nous abordons deux questions fondamentales : celle de la limite de précision des mesures de temps basées sur l'interférence Hong-Ou-Mandel dans des conditions non idéales et celle de la nonlocalité quantique dans les réseaux triangulaires. Dans le premier cas, nous proposons un modèle et le validons expérimentalement, en démontrant la dépendance de la précision avec la visibilité de l'interférogramme pour différents types d'états de sonde ; grâce au grand niveau d'indiscernabilité des photons générés par la source AlGaAs, nous atteignons un rapport de 0,97 par comparaison à la limite quantique, établissant ainsi une nouvelle référence dans le domaine. Dans le second cas, nous démontrons pour la première fois l'existence de non-localité dans un réseau triangulaire sans supposer une indépendance complète des sources en simulant le réseau avec divers canaux en fréquence de l'état émis par notre source et en exploitant son niveau élevé d'intrication en polarisation sur une large bande spectrale. Une nouvelle inégalité de type Bell est dérivée en prenant en compte des imperfections potentielles dans les états quantiques, offrant ainsi un cadre plus réaliste pour les tests expérimentaux. Enfin, dans la troisième partie de cette thèse, nous utilisons nos sources AlGaAs dans un réseau de communication quantique déployé dans la région parisienne. Le lien fibre optique reliant les deux campus de l'Université Paris Cité et de Sorbonne Université est caractérisé expérimentalement dans les régimes classique et quantique. Les résultats fournissent une base solide pour la mise en œuvre future de protocoles cryptographiques sur un réseau urbain à fibres optiques et soulignent le potentiel de la plateforme AlGaAs pour l'implémentation de protocoles d'information quantique dans des conditions réelles.
Les corrélations de photons sont à la base d'un certain nombre d'expériences et d'applications (spectroscopie de corrélation de photons, profilométrie haute résolution, cryptographie quantique, téléportation). L'évaluation de ces propriétés de corrélation revêt dès lors une importance toute particulière et correspond à la thématique dans laquelle s'inscrit ce travail de thèse de Doctorat. Tout d'abord, les concepts de compteur de photons par absorption à deux photons ont été (ré)évalués expérimentalement dans différents semiconducteurs et nous ont conduits à établir les bases d'un modèle quantique du comptage à deux photons. Par la suite, l'absorption à deux photons dans les semiconducteurs est appliquée dans une nouvelle technique qui permet la mesure du degré de cohérence d'ordre deux de sources optiques continues de faibles puissances (0,1 µW au minimum) avec une bande passante allant de 1,1 à 1,7 µm et une résolution de l'ordre de la femtoseconde. Expérimentalement, le montage est conceptuellement proche d'un interféromètre de Hanbury Brown et Twiss où, dans notre cas, les deux sous-faisceaux décalés dans le temps sont recombinés sur un compteur à deux photons. Grâce à la très large bande passante à deux photons, les corrélations de sources larges spectralement sont caractérisées au moyen de ce montage qui permet la mesure du degré de cohérence d'ordre deux de sources chaotiques aussi bien que d'un générateur paramétrique à la dégénérescence ou hors de la dégénérescence. Pour la première fois, le phénomène de bunching des photons issus d'un corps noir a été vérifié par une mesure directe. Pour ce qui est de la lumière paramétrique, après avoir développé une source de photons jumeaux, nous avons démontré que notre montage expérimental était à même de mesurer les coïncidences exactes des photons issus d'une même paire aussi bien que les coïncidences accidentelles entre photons de paires différentes en contrôlant les phénomènes de dispersion chromatiques à l'aide d'une paire de prismes. Enfin, deux modèles théoriques originaux de corrélation de photons jumeaux ont été développés, basées sur les approches quantique et classique, et sont en excellent accord avec l'ensemble de nos résultats expérimentaux.