Photons intriqués en milieux désordonnés : des figures de tavelures à deux photons à la décomposition de Schmidt Cette thèse porte sur l'étude de la transmission par diffusion multiple de deux photons intriqués à travers un milieu désordonné. Ce travail théorique fait intervenir deux branches de la physique qui sont l'optique quantique et la physique ondulatoire en milieu aléatoire.Dans le premier chapitre, nous donnons les outils théoriques d'optique quantique nécessaires à la compréhension du travail exposé. Après une présentation de la quantification de la lumière dans un milieu ouvert, nous introduisons les principaux états quantiques de la lumière qui sont utilisés dans cette thèse. Dans un second temps, nous présentons la plus importante propriété des états quantiques étudiés, l'intrication quantique. Après une introduction générale, le concept d'intrication entre particules indistinguables est discuté.Étant donné le caractère aléatoire du milieu dans lequel la lumière se propage, les observables physiques considérées dans cette thèse doivent être étudiées statistiquement. De ce fait, le second chapitre présente une approche statistique de la diffusion de la lumière en milieu aléatoire. Nous considérons dans un premier temps une description microscopique de la diffusion multiple basée sur le formalisme de la fonction de Green. Par la suite, nous nous intéressons à une description macroscopique faisant intervenir la matrice aléatoire de diffusion.Dans le troisième chapitre, nous étudions la figure de tavelures à deux photons qui apparaît dans les mesures de coïncidences. Nous commençons par introduire les principales propriétés de l'état à deux photons considéré et discutons ensuite la cohérence de cet état de la lumière. Par la suite, nous présentons une analyse détaillée de la figure de tavelures obtenue par transmission d'un état à deux photons possédant un spectre fréquentiel large à travers un milieu désordonné. Nous discutons de la possibilité ou non d'observer dans les mesures de coïncidences des signatures du caractère non-classique de la lumière. Finalement, nous calculons la visibilité des figures de tavelures à un et deux photons et montrons comment l'intrication initiale modifie cette visibilité.Pour terminer, nous développons une nouvelle approche théorique permettant de quantifier la quantité moyenne d'intrication de l'état diffusé à travers un milieu aléatoire. En utilisant la théorie des matrices aléatoires, nous dérivons la décomposition de Schmidt de l'état diffusé qui possède une certaine quantité d'intrication. Nous montrons comment la statistique du milieu désordonné influence la densité des valeurs propres de Schmidt et quantifions l'intrication transmise grâce différentes mesures d'intrication telles que l'entropie de von Neumann des valeurs propres de Schmidt et le nombre de Schmidt.
Photons intriqués en milieux désordonnés : des figures de tavelures à deux photons à la décomposition de Schmidt Cette thèse porte sur l'étude de la transmission par diffusion multiple de deux photons intriqués à travers un milieu désordonné. Ce travail théorique fait intervenir deux branches de la physique qui sont l'optique quantique et la physique ondulatoire en milieu aléatoire.Dans le premier chapitre, nous donnons les outils théoriques d'optique quantique nécessaires à la compréhension du travail exposé. Après une présentation de la quantification de la lumière dans un milieu ouvert, nous introduisons les principaux états quantiques de la lumière qui sont utilisés dans cette thèse. Dans un second temps, nous présentons la plus importante propriété des états quantiques étudiés, l'intrication quantique. Après une introduction générale, le concept d'intrication entre particules indistinguables est discuté.Étant donné le caractère aléatoire du milieu dans lequel la lumière se propage, les observables physiques considérées dans cette thèse doivent être étudiées statistiquement. De ce fait, le second chapitre présente une approche statistique de la diffusion de la lumière en milieu aléatoire. Nous considérons dans un premier temps une description microscopique de la diffusion multiple basée sur le formalisme de la fonction de Green. Par la suite, nous nous intéressons à une description macroscopique faisant intervenir la matrice aléatoire de diffusion.Dans le troisième chapitre, nous étudions la figure de tavelures à deux photons qui apparaît dans les mesures de coïncidences. Nous commençons par introduire les principales propriétés de l'état à deux photons considéré et discutons ensuite la cohérence de cet état de la lumière. Par la suite, nous présentons une analyse détaillée de la figure de tavelures obtenue par transmission d'un état à deux photons possédant un spectre fréquentiel large à travers un milieu désordonné. Nous discutons de la possibilité ou non d'observer dans les mesures de coïncidences des signatures du caractère non-classique de la lumière. Finalement, nous calculons la visibilité des figures de tavelures à un et deux photons et montrons comment l'intrication initiale modifie cette visibilité.Pour terminer, nous développons une nouvelle approche théorique permettant de quantifier la quantité moyenne d'intrication de l'état diffusé à travers un milieu aléatoire. En utilisant la théorie des matrices aléatoires, nous dérivons la décomposition de Schmidt de l'état diffusé qui possède une certaine quantité d'intrication. Nous montrons comment la statistique du milieu désordonné influence la densité des valeurs propres de Schmidt et quantifions l'intrication transmise grâce différentes mesures d'intrication telles que l'entropie de von Neumann des valeurs propres de Schmidt et le nombre de Schmidt.
Transport et manipulation de photons intriqués en milieux complexes La manipulation du front d'onde lumineux a été initialement développée pour corriger les aberrations atmosphériques et permettre une imagerie nette des objets astronomiques. Inspirées par ces avancées, les techniques de mise en forme du front d'onde basées sur des modulateurs spatiaux de lumière ont depuis été adaptées pour étudier la propagation de la lumière dans des environnements très complexes, tels que les milieux désordonnés. Cela a permis de réaliser des progrès significatifs dans la compréhension du transport de la lumière, d'étendre les capacités d'imagerie dans des conditions réelles et même d'ouvrir de nouvelles perspectives pour le calcul optique. Si ces avancées sont longtemps restées confinées au domaine de l'optique classique, l'essor des technologies quantiques repousse désormais les limites du façonnage du front d'onde vers le régime quantique. Les états quantiques de la lumière, notamment les paires de photons intriqués, les états comprimés et les photons uniques, offrent des avantages uniques pour la mesure de précision, la communication sécurisée et l'étude des fondements de la mécanique quantique. Le défi central ne consiste plus seulement à contrôler le profil spatial ou temporel de la lumière, mais aussi à préserver et à manipuler ses propriétés quantiques, telles que l'intrication, tout en traversant des environnements complexes. Relever ce défi est essentiel pour permettre la communication, l'imagerie et le calcul quantiques en conditions réelles. Cette thèse aborde cette problématique en étudiant la propagation des états intriqués à deux photons à travers des systèmes complexes tels que des fibres multimodes ou des couches minces diffusantes. Dans un premier temps, il est montré que la méthode classique de correction du front d'onde, fondée sur la mesure de la matrice de transmission et nécessitant un faisceau laser externe, peut être utilisées pour caractériser et compenser les perturbations introduites par le milieu, permettant ainsi de préserver l'intrication spatiale après la transmission. Par la suite, en combinant les capacités de détection multimode des caméras sensible aux photons uniques, ainsi qu'un modèle théorique décrivant les interférences à deux photons au sein du milieu, j'ai développé un algorithme d'optimisation par rétroaction utilisant les coïncidences spatiales. Cette méthode supprime la nécessité d'un faisceau classique auxiliaire pour corriger les effets de diffusion sur les paires de photons. En parallèle, j'ai étudié la transmission d'états intriqués par polarisation à travers une fibre multimode. Dans ce cas, nous montrons que la certification de l'intrication peut être obtenue sans correction active de la diffusion. La fibre met en œuvre de manière passive la mesure projective pour violer une inégalité de Bell à la sortie. Ensemble, ces résultats établissent de nouveaux outils expérimentaux pour l'utilisation des états quantiques intriqués dans des milieux complexes. Ils contribuent à ouvrir la voie à l'intégration de l'optique quantique dans des environnements réalistes et désordonnés, où les effets de diffusion sont inévitables, et participent ainsi au développement de futures applications en communication, imagerie et information.
La manipulation du front d'onde lumineux a été initialement développée pour corriger les aberrations atmosphériques et permettre une imagerie nette des objets astronomiques. Inspirées par ces avancées, les techniques de mise en forme du front d'onde basées sur des modulateurs spatiaux de lumière ont depuis été adaptées pour étudier la propagation de la lumière dans des environnements très complexes, tels que les milieux désordonnés. Cela a permis de réaliser des progrès significatifs dans la compréhension du transport de la lumière, d'étendre les capacités d'imagerie dans des conditions réelles et même d'ouvrir de nouvelles perspectives pour le calcul optique. Si ces avancées sont longtemps restées confinées au domaine de l'optique classique, l'essor des technologies quantiques repousse désormais les limites du façonnage du front d'onde vers le régime quantique. Les états quantiques de la lumière, notamment les paires de photons intriqués, les états comprimés et les photons uniques, offrent des avantages uniques pour la mesure de précision, la communication sécurisée et l'étude des fondements de la mécanique quantique. Le défi central ne consiste plus seulement à contrôler le profil spatial ou temporel de la lumière, mais aussi à préserver et à manipuler ses propriétés quantiques, telles que l'intrication, tout en traversant des environnements complexes. Relever ce défi est essentiel pour permettre la communication, l'imagerie et le calcul quantiques en conditions réelles. Cette thèse aborde cette problématique en étudiant la propagation des états intriqués à deux photons à travers des systèmes complexes tels que des fibres multimodes ou des couches minces diffusantes. Dans un premier temps, il est montré que la méthode classique de correction du front d'onde, fondée sur la mesure de la matrice de transmission et nécessitant un faisceau laser externe, peut être utilisées pour caractériser et compenser les perturbations introduites par le milieu, permettant ainsi de préserver l'intrication spatiale après la transmission. Par la suite, en combinant les capacités de détection multimode des caméras sensible aux photons uniques, ainsi qu'un modèle théorique décrivant les interférences à deux photons au sein du milieu, j'ai développé un algorithme d'optimisation par rétroaction utilisant les coïncidences spatiales. Cette méthode supprime la nécessité d'un faisceau classique auxiliaire pour corriger les effets de diffusion sur les paires de photons. En parallèle, j'ai étudié la transmission d'états intriqués par polarisation à travers une fibre multimode. Dans ce cas, nous montrons que la certification de l'intrication peut être obtenue sans correction active de la diffusion. La fibre met en œuvre de manière passive la mesure projective pour violer une inégalité de Bell à la sortie. Ensemble, ces résultats établissent de nouveaux outils expérimentaux pour l'utilisation des états quantiques intriqués dans des milieux complexes. Ils contribuent à ouvrir la voie à l'intégration de l'optique quantique dans des environnements réalistes et désordonnés, où les effets de diffusion sont inévitables, et participent ainsi au développement de futures applications en communication, imagerie et information.
L’interaction entre la lumière et un nuage atomique désordonné et dilué donne lieu à des effets de cohérence collectifs dus à l’interaction des dipôles induits par le biais du champ lumineux. L'influence de tels effets de cohérence en diffusion multiple suscite beaucoup d’intérêt. Nous présentons deux modèles théoriques qui décrivent ces effets de cohérence dans différents régimes de diffusion. Le traitement du processus à travers un développement en ordres successifs de diffusion nous permet de mettre en évidence la contribution du premier et second ordres ainsi que l'interférence entre les champs diffusés qui en résultent. Dans le régime de diffusion multiple, nous montrons que la force de pression de radiation n'est pas une bonne observable pour sonder les effets coopératifs. Par ailleurs, nous mettons en évidence une surprenante cohérence de phase qui suggère une persistance des effets coopératifs en diffusion multiple. Cela pourrait être le résultat d'une synchronisation entre les dipôles atomiques couplés. Dans une deuxième partie, nous étudions l'effet d'une déformation de l'algèbre de Weyl-Heisenberg sur l'intrication des états cohérents. Une telle approche permet de décrire la décohérence dans des systèmes quantiques intriqués soumis à une perturbation extérieure. Nous construisons des états cohérents déformés intriqués et nous calculons leur concurrence. Nous montrons que la déformation de l'algèbre pourrait avoir un impact non négligeable sur la qualité de l'intrication bipartie des états cohérents, si cette dernière n'est pas maximale.
Marches aléatoires quantiques dans les milieux désordonnés Nous nous ici intéressons à la propagation d'états non-classiques de la lumière à travers des milieux désordonnés, comme les couches de peinture ou les fibres multimodes. Ces milieux sont généralement considérés comme des obstacles à la propagation de la lumière: par exemple, la diffusion de la lumière dans les tissus biologiques diminue considérablement les capacités des systèmes d'imagerie optique. C'est donc un phénomène duquel on souhaite généralement s'affranchir. Au contraire, dans notre étude nous exploitons ce désordre et utilisons ces milieux comme des "mélangeurs" de lumière. La lumière qui y pénètre est fortement diffusée et ses propriétés spectrales, spatiales et de polarisation sont complètement redistribuées. Cette redistribution est associée à un phénomène de propagation d'onde et d'interférence complexe qui est donc déterministe. Nous pouvons alors utiliser des méthodes de manipulation de front d'onde pour étudier ou contrôler ce mélange. Associés à des états non-classiques, ces systèmes permettent de réaliser des marches aléatoires quantiques dans des environnements bien plus complexes que ceux qui existent actuellement. Les méthodes de contrôle de front d'onde nous ont permis d'étudier et de manipuler ces marches aléatoires. Nous avons notamment montré qu'il est possible de guider les photons en manipulant les interférences classiques et quantiques. Ce travail nous a permis d'étudier de nouveaux aspects de la physique des milieux complexes, mais aussi d'explorer un nouveau type de plateformes pour marches aléatoires quantiques qui pourraient jouer un rôle important dans le développement des nouvelles applications pour traitement de l'information.
Depuis les années 2010, l'étude du phénomène d'interférence à deux photons en présence d'un milieu diffusant a connu un progrès significatif. Cette thèse d'inscrit dans cette dynamique à travers l'étude des corrélations quantiques spatiales entre des paires de photons intriqués de haute dimensionnalité générées par l'émission paramétrique spontanée et détectées à l'aide de caméras EMCCD. Dans ce manuscrit, nous présentons le principe de la génération des paires de photons intriqués et la méthode de mesure expérimentale des corrélations quantiques spatiales entre ces photons. Ensuite, nous introduisons un modèle numérique de la fonction d'onde du biphoton permettant de simuler la propagation des paires de photons intriqués à travers un milieu diffusant mince et épais et nous présentons les résultats expérimentaux correspondant. Dans le cas d'un diffuseur mince, nous démontrons que la distribution de la fonction de corrélation quantique en champ lointain décrit un speckle si le faisceau pompe est suffisamment large dans le plan du cristal, tandis qu'en champ proche, le contraste du speckle de corrélation est réduit. Dans le cas d'un diffuseur épais, nous démontrons que la fonction de corrélation décrit, dans les deux espaces, une structure granulaire avec un faible contraste. Enfin, en utilisant un SLM nous démontrons d'une part qu'à travers une méthode itérative, il est possible de focaliser un faisceau cohérent sur une cible situé derrière un diffuseur avec les mêmes performances que la méthode basée sur la matrice de transmission du diffuseur. D'autre part,en absence de diffuseur, nous démontrons expérimentalement qu'il est possible de manipuler les corrélations quantiques spatiales entre les paires de photons intriqués. En présence d'un diffuseur nous démontrons numériquement qu'il est possible de focaliser les corrélations quantiques spatiales sur une cible située derrière le milieu diffusant.
Cette thèse porte sur la manipulation d états non-classiques de la lumière, en vue d applications à l information quantique. Nous montrons que les outils théoriques et expérimentaux propres à une approche discrète, où la lumière est décrite comme un ensemble de photons, peuvent être efficacement combinés avec une approche continue, où l on s intéresse aux quadratures de l onde électromagnétique. On peut ainsi créer, transformer et analyser des états quantiques complexes. Nous avons préparé des impulsions lumineuses ultrabrèves dans des états "chat de Schrödinger" (superpositions quantiques d'états cohérents). Le champ électromagnétique de l'onde lumineuse n est alors plus décrit par une statistique classique, mais par une fonction de Wigner prenant des valeurs négatives. Grâce à une reconstruction par tomographie homodyne, nous avons réalisé la première observation expérimentale de cette négativité pour de petits chatons de Schrödinger en propagation libre. Nous avons ensuite développé et démontré expérimentalement un protocole permettant de préparer des chats de Schrödinger optiques de taille arbitraire et d'ouvrir la voie vers de multiples applications en information quantique. Nous avons également montré que la soustraction conditionnelle de photons permettait d augmenter l intrication d'états gaussiens. Avec cette approche, nous avons intriqué deux impulsions séparées et indépendantes, en utilisant un canal quantique de fortes pertes. On peut ainsi préparer, entre deux sites éloignés, des états fortement intriqués à fonction de Wigner négative, élément essentiel pour la distillation d intrication et les communications quantiques à grande distance.