Ce mémoire de maîtrise est consacré à la mise en place d'une technique de spectroscopie quantique comme nouvel outil de caractérisation. La spectroscopie quantique, tout comme la spectroscopie classique, consiste en l'étude des matériaux avec la lumière. La différence est le type de lumière utilisé. Dans le cas présent, on utilise comme sonde des paires de photons qui partagent une propriété très intéressante, soit l'intrication. Les propriétés quantiques que nous promet l'intrication peuvent être utilisées pour donner un net avantage à la lumière quantique sur la lumière dite classique, d'un point de vue spectroscopique. Dans un premier temps, les nombreux avantages qu'offre la spectroscopie quantique seront revus, en explorant les différentes techniques que propose la communauté. En second lieu, les outils théoriques nécessaires à la bonne compréhension du phénomène de génération de photons intriqués, soit la conversion paramétrique spontanée, seront exposés. Ensuite, l'importance de la fonction de corrélation de second ordre dans le formalisme qui décrit la détection de photons intriqués sera discutée. De plus, les propriétés spectrales non classiques du biphoton, soit une paire de photons intriqués, seront exposées. On décrira ensuite les détails expérimentaux portant sur la mise en place d'un interféromètre de type Hong-Ou-Mandel, où l'un des bras contient un matériau à caractériser. L'interaction avec le matériau modifiera les propriétés du biphoton, ce qui sera visible dans le creux d'anti-corrélation causé par l'interférence quantique à deux photons. Malgré l'impossibilité d'observer ce creux d'anti-corrélation à cause du trop faible couplage de la source dans l'interféromètre, la génération de paires de photons intriqués a tout de même été observée. De plus, la possibilité d'observer de l'interférence à deux photons a été montrée en mesurant des oscillations quantiques issues d'interférences à un photon. Cela valide la possibilité d'utiliser cette technique spectroscopique comme nouvel outil de caractérisation.
Ce mémoire de maîtrise est consacré à la mise en place d'une technique de spectroscopie quantique comme nouvel outil de caractérisation. La spectroscopie quantique, tout comme la spectroscopie classique, consiste en l'étude des matériaux avec la lumière. La différence est le type de lumière utilisé. Dans le cas présent, on utilise comme sonde des paires de photons qui partagent une propriété très intéressante, soit l'intrication. Les propriétés quantiques que nous promet l'intrication peuvent être utilisées pour donner un net avantage à la lumière quantique sur la lumière dite classique, d'un point de vue spectroscopique. Dans un premier temps, les nombreux avantages qu'offre la spectroscopie quantique seront revus, en explorant les différentes techniques que propose la communauté. En second lieu, les outils théoriques nécessaires à la bonne compréhension du phénomène de génération de photons intriqués, soit la conversion paramétrique spontanée, seront exposés. Ensuite, l'importance de la fonction de corrélation de second ordre dans le formalisme qui décrit la détection de photons intriqués sera discutée. De plus, les propriétés spectrales non classiques du biphoton, soit une paire de photons intriqués, seront exposées. On décrira ensuite les détails expérimentaux portant sur la mise en place d'un interféromètre de type Hong-Ou-Mandel, où l'un des bras contient un matériau à caractériser. L'interaction avec le matériau modifiera les propriétés du biphoton, ce qui sera visible dans le creux d'anti-corrélation causé par l'interférence quantique à deux photons. Malgré l'impossibilité d'observer ce creux d'anti-corrélation à cause du trop faible couplage de la source dans l'interféromètre, la génération de paires de photons intriqués a tout de même été observée. De plus, la possibilité d'observer de l'interférence à deux photons a été montrée en mesurant des oscillations quantiques issues d'interférences à un photon. Cela valide la possibilité d'utiliser cette technique spectroscopique comme nouvel outil de caractérisation.
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.
Ce mémoire décrit plusieurs expériences pour lesquelles la quantification du champ électromagnétique joue un rôle essentiel dans la description théorique et la compréhension physique des phénomènes observés. En particulier, la nécessité de cette quantification apparaît à travers la mise en évidence d'un état d'un champ très proche d'un état de Fock, dans lequel un seul quantum est excité (état à un seul photon). Un état à un seul photon peut être caractérisé en utilisant deux photomultiplicateurs placés de part et d'autre d'une lame semi-réfléchissante : la probabilité d'observer deux photodétections pendant un temps w doit être beaucoup plus petite que le produit des probabilités de photodétections simples pendant le même temps. Cette propriété "non-classique", que nous désignons par le terme d'anticorrélation, est mise en évidence expérimentalement pour une cascade radiative du Calcium, en utilisant des techniques de comptages rapides. Nous avons ensuite réalisé une expérience d'interférences, avec la lumière ayant permis d'observer l'effet d'anticorrélation. En utilisant un interféromètre de Mach-Zehnder réglé au voisinage de la teinte plate, le contraste mesuré des franges d'interférences a été supérieur à 98%, en parfait accord avec les performances calculées de l'interféromètre. Nous présentons enfin deux autres expériences, qui illustrent de façon plus générale la notion d'interférence à un photon : une expérience de battements quantiques dans une cascade radiative excitée de façon continue, et un effet d'interférence apparaissant dans la fluorescence d'un système de deux atomes, obtenus par photodissociation d'une molécule Ca2 par une impulsion laser.
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.
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.
L’intrication quantique est une ressource importante pour l’avancée scientifique et l’information quantique. En optique quantique, il est possible de construire des états intriqués de multiples photons, permettant leur utilisation pour diverses applications. La génération expérimentale de paires de photons intriqués est, à notre époque, assez simple. La fluorescence paramétrique, parmi d’autres, peut être utilisée pour produire des paires de photons intriqués en polarisation. Cependant, la fluorescence paramétrique ne produit que des paires de photons intriqués et pour certaines applications, il est nécessaire d’avoir des états intriqués de plus de deux photons. Dans ces cas cette méthode est insuffisante. Alors pour créer des triplets de photons intriqués, nous allons avoir besoin de recourir à d’autres méthodes. Une méthode bien connue consiste à faire interférer deux paires de photons intriqués à l’aide d’un réseau de plusieurs séparateurs de faisceaux et de sélectionner certaines mesures après la prise de données pour exclure les événements non-intriqués.[1] Ces montages sont parfois avantageux puisqu’ils permettent la création d’états intriqués comportant un nombre important de photons.[2, 3] Cependant, il y a des lacunes importantes; la nécessité de la nécessité de la sélection à posteriori proscrivant, pour certaines applications, l’utilisation de cette méthode.[4] Il existe cependant une autre méthode, pour les états intriqués d’un faible nombre de photons, qui consiste à utiliser la fluorescence paramétrique sur un des photons d’une paire de photons intriqués elle aussi produite par fluorescence paramétrique. C’est-à-dire, avoir un second stade de fluorescence paramétrique après le premier pour convertir un des photons d’une paire intriquée en une seconde paire, pour avoir comme résultat final un triplet de photons intriqués. Ce processus, nommé fluorescence paramétrique en cascade, donnera naissance à deux applications qui feront l’objet de cette thèse. La création d’états intriqués par fluorescence paramétrique en cascade à premièrement été proposée en 1990.[5] En 2010, la création de triples de photons non-intriqués fut démontrée dans un article qui suggérait que ces triplets de photons pouvaient également être intriqués.[6] Des montages expérimentaux basés sur cette méthode ont ensuite démontré la production de triplets intriqués en polarisation[7] et en énergie-tempsl[8] Des montagnes permettent la cascade hybride, où la fluorescence paramétrique est pompée d’un autre processus d’optique nonlinéaire.[9] Des études démontrent également qu’il est possible de créer des triplets de photons intriqués produits par fluorescence paramétrique en cascade dans un seul cristal,[9, 10] et que l’on pourrait, d’après des résultats théoriques, avoir un contrôle quasi absolu sur les corrélations spectrales des photons en changeant les paramètres de ce cristal.[11] Nous allons ici, comme travail original, discuter de deux applications utilisant la fluorescence paramétrique en cascade. La fluorescence paramétrique en cascade sera premièrement utilisée pour améliorer les sources de photons uniques annoncés. Il sera démontré, par le biais d’un développement analytique et d’une simulation numérique, que le caractère de photon unique de ces sources (quantifié par la fonction de corrélation de second ordre) peut être amélioré de façon significative en régime où le taux de production de photons annoncés est faible, c’est-à-dire, où les détections parasite des détecteurs de photons uniques est non-négligeable.[12] La seconde sera une amélioration du processus de génération de triplets de photons intriqués en polarisation,[7] où un interféromètre de Mach-Zehnder sera remplacé par un interféromètre de Sagnac pour créer un montage dont la phase est intrinsèquement stable.
En photonique quantique, les paires de photons intriqués constituent une ressource fondamentale, à la fois pour l'étude des fondements de la mécanique quantique et pour des applications émergentes telles que l'informatique quantique, les communications sécurisées, l'imagerie et la détection. En pratique, ces paires peuvent être générées de manière fiable par conversion paramétrique spontanée dans un cristal non linéaire. Les propriétés de ces photons sont alors déterminées par le type et la géométrie du cristal, ainsi que par les caractéristiques du faisceau de pompe. Le contrôle de ces propriétés s'avère crucial pour de nombreuses applications. Dans cette thèse, nous montrons comment les corrélations spatiales des paires de photons intriqués peuvent être structurées en images d'amplitude et de phase arbitraires en modulant l'illumination du cristal. L'image d'un objet réel peut ainsi être efficacement encodée dans les corrélations des paires, tout en demeurant invisible pour les mesures d'intensité conventionnelles. Cette technique établit ainsi une nouvelle approche de l'imagerie optique, dans laquelle les informations de l'objet sont portées par les corrélations entre les photons plutôt que par l'intensité ou la phase des champs optiques, comme dans les méthodes classiques. Nous utilisons cette technique pour proposer un nouveau paradigme d'imagerie à travers les milieux diffusants, lesquels perturbent fortement la propagation de la lumière et rendent l'imagerie classique inefficace. Les approches classiques - telles que l'inversion computationnelle ou le contrôle de front d'onde - permettent, en principe, de compenser la diffusion, mais elles se révèlent en pratique très sensibles au bruit et aux pertes, et n'offrent qu'un contrôle limité des modes. À l'inverse, notre approche exploite une propriété fondamentale de l'intrication quantique : la préservation des corrélations entre photons sur plusieurs bases de mesure. En modulant le désordre optique engendré par un milieu diffusant, les images encodées dans les corrélations quantiques peuvent être reconstruites par détection de coïncidences, sans jamais inverser le processus de diffusion. Ce travail démontre la possibilité d'encoder, de détecter et de transmettre des informations à haute dimension à l'aide de corrélations quantiques, ouvrant ainsi de nouvelles perspectives pour la communication et l'imagerie quantiques.