Nous présentons une architecture générique en électrodynamique quantique en cavité (en anglais: QED), capable de cultiver différents types d'intrication quantique à plusieurs corps. Ce système, présentement accessible au niveau expérimental dans diverses architectures, nécessite seulement une interaction faible entre un ensemble de spins et une cavité soumise à un processus paramétrique à deux photons. Le premier protocole d'intrication que nous proposons, soit le protocole assisté par un état noir quantique (en anglais: DMAP), consiste à transférer la compression du champ intra-cavité vers l'ensemble de spins. L'état comprimé de spin résultant de ce procédé (avec un paramètre de Kitawaga sur l'ordre de 10-2) présente un enchevêtrement fort dans les différentes paires de spins, ce qui s'avère très utile dans le contexte de la métrologie quantique. Dans un temps de préparation relativement court (inversement proportionnel à la magnitude du couplage collectif), notre protocole permet d'atteindre pratiquement la limite quantique d'Heisenberg (avec un paramètre de Wineland près de 2/N), et ce même pour un faible échantillon de spins. Si la limite de compression générée par la torsion à un axe ou deux axes est contrainte par la taille de l'échantillon, notre protocole ne l'est pas en plus d'être plus rapide et de ne pas souffrir de la dynamique oscillatoire de la torsion à un axe. Nous allons aussi démontrer comment le DMAP se compare à une évolution adiabatique même si l'adiabaticité semble impraticable dans ce contexte. Dans des travaux précédents nous avons démontré qu'un processus paramétrique à deux photons peut être utilisé pour simuler un couplage très fort dans un system QED en cavity standard à interaction faible. Nous allons élargir cette technique au système présent pour simuler le modèle de Dicke, qui est reconnu pour ses propriétés quantiques intéressantes telles que la possibilité d'un enchevêtrement quantique important et des transitions de phases superradiantes. Les autres protocoles d'intrication que nous proposerons utilisent la simulation du modèle de Dicke, soit la réalisation de la porte de Molmer-Sorenson, intimement reliée à la torsion à un axe, et la culture de grands états de chat enchevêtrés. Plus spécifiquement nous proposerons un protocole d'intrication délocalisée, un ingrédient clé pour l'informatique quantique, où un état de Greenberger-Horne-Zeilinger sera préparé dans le système à interaction faible pour être ensuite transformé en un grand état de chat enchevêtré grâce au model simulé de Dicke. Finalement nous révèlerons notre système comme étant une plateforme intéressante pour étudier les transitions de phase superradiantes ainsi que leur dépendance sur le bruit quantique comprimé.
Nous présentons une architecture générique en électrodynamique quantique en cavité (en anglais: QED), capable de cultiver différents types d'intrication quantique à plusieurs corps. Ce système, présentement accessible au niveau expérimental dans diverses architectures, nécessite seulement une interaction faible entre un ensemble de spins et une cavité soumise à un processus paramétrique à deux photons. Le premier protocole d'intrication que nous proposons, soit le protocole assisté par un état noir quantique (en anglais: DMAP), consiste à transférer la compression du champ intra-cavité vers l'ensemble de spins. L'état comprimé de spin résultant de ce procédé (avec un paramètre de Kitawaga sur l'ordre de 10-2) présente un enchevêtrement fort dans les différentes paires de spins, ce qui s'avère très utile dans le contexte de la métrologie quantique. Dans un temps de préparation relativement court (inversement proportionnel à la magnitude du couplage collectif), notre protocole permet d'atteindre pratiquement la limite quantique d'Heisenberg (avec un paramètre de Wineland près de 2/N), et ce même pour un faible échantillon de spins. Si la limite de compression générée par la torsion à un axe ou deux axes est contrainte par la taille de l'échantillon, notre protocole ne l'est pas en plus d'être plus rapide et de ne pas souffrir de la dynamique oscillatoire de la torsion à un axe. Nous allons aussi démontrer comment le DMAP se compare à une évolution adiabatique même si l'adiabaticité semble impraticable dans ce contexte. Dans des travaux précédents nous avons démontré qu'un processus paramétrique à deux photons peut être utilisé pour simuler un couplage très fort dans un system QED en cavity standard à interaction faible. Nous allons élargir cette technique au système présent pour simuler le modèle de Dicke, qui est reconnu pour ses propriétés quantiques intéressantes telles que la possibilité d'un enchevêtrement quantique important et des transitions de phases superradiantes. Les autres protocoles d'intrication que nous proposerons utilisent la simulation du modèle de Dicke, soit la réalisation de la porte de Molmer-Sorenson, intimement reliée à la torsion à un axe, et la culture de grands états de chat enchevêtrés. Plus spécifiquement nous proposerons un protocole d'intrication délocalisée, un ingrédient clé pour l'informatique quantique, où un état de Greenberger-Horne-Zeilinger sera préparé dans le système à interaction faible pour être ensuite transformé en un grand état de chat enchevêtré grâce au model simulé de Dicke. Finalement nous révèlerons notre système comme étant une plateforme intéressante pour étudier les transitions de phase superradiantes ainsi que leur dépendance sur le bruit quantique comprimé.
Les boîtes quantiques semiconductrices intégrées dans des cavités photoniques sont des émetteurs prometteurs de photons uniques pour les technologies quantiques photoniques. En outre, une boîte quantique peut confiner un porteur de charge unique (électron ou trou) dont le spin peut être utilisé comme mémoire locale, ce qui ouvre la voie à des applications intéressantes. En 2009, il a été proposé d'utiliser ces boîtes quantiques chargées pour émettre de grands états intriqués comprenant le spin confiné et de nombreux photons. Ces états dits de "cluster" présentent un intérêt particulier pour l'informatique quantique photonique et basée sur la mesure. Le défi de la génération de ces états quantiques réside dans la combinaison de la production efficace de photons avec le contrôle du spin confiné : si les deux aspects ont été démontrés séparément, leur combinaison ne l'a pas encore été jusqu'à présent. Dans cette thèse, nous utilisons des boîtes quantiques semi-conductrices pour générer expérimentalement des états intriqués de spin et de photons. Pour ce faire, nous nous appuyons sur une technique d'excitation hors résonance, assistée par phonon, pour générer des photons uniques de manière efficace, tout en préservant l'accès au spin par le biais de la polarisation des photons émis. Nous explorons la physique des spins uniques dans la boîte quantique, en caractérisant en particulier leurs propriétés de cohérence. Nous utilisons ensuite une boîte quantique chargée couplée à une cavité pour générer des états intriqués tripartites comprenant le spin et deux photons indiscernables, démontrant ainsi pour la première fois la mise en œuvre du protocole de 2009 avec une boîte quantique dans une cavité tridimensionnelle. Enfin, nous explorons également l'utilisation d'une boîte quantique neutre pour générer des états quantiques photoniques hyperencodés, où un photon unique est dans une superposition de plusieurs degrés de liberté.
Protocoles pratiques pour les réseaux de communication quantique Dans cette thèse, nous étudions les réseaux des états optiques quantiques intriqués avec différents degrés de complexité, avec une attention particulière portée à leur application dans des scénarios de communication quantique. Le but de la communication quantique est de permettre à deux ou plusieurs parties de communiquer d'une façon qui serait impossible avec de la technologie classique. L'archétype de ce domaine est la distribution de clé quantique ou quantum key distribution (QKD), qui permet à deux agents de partager une clé aléatoire secrète pour effectuer des communications sécurisées, en empêchant, au même temps, qu'un troisième agent malveillant puisse obtenir connaissance de leur clé. Dans ce manuscrit, cependant, nous explorons des scénarios de communication quantique qui vont au-delà de la QKD standard afin de tester les nombreuses possibilités offertes par les réseaux de dispositifs quantiques interconnectés, aussi appelés internet quantique. Spécifiquement, nous présentons trois types de réseaux quantiques, qui correspondent à trois niveaux de complexité d'internet quantique. Dans chaque niveau, nous décrivons le scénario de communication, les exigences physiques nécessaires pour construire l'architecture spécifique et un nouveau protocole qui ne peut pas être reproduit sans des ressources quantiques. Dans cette document, nous veillons particulièrement à la "praticité" des protocoles, notamment le fait que leur implémentation doit être possible dans des conditions réalistes avec technologie existante, au moins comme preuve du principe. Le premier concerne un protocole quantique à preuves interactives qui montre pour la première fois une preuve expérimentale d'un avantage quantique dans un cadre interactif. Dans ce scénario, il y a un prouveur avec de la puissance calculatoire illimitée qui veut convaincre un vérifieur honnête de l'existence d'une certaine solution d'un problème mathématique complexe, en lui envoyant une partie de la preuve sous forme d'états quantiques. Notre construction permet au vérifieur de vérifier l'assertion du prouveur sans recevoir la solution entière. Nous prouvons que sans ressources quantiques, le protocole de vérification exigerait un temps exponentiel en la taille de la solution, menant à un avantage quantique en terme de temps de calcul, avantage que nous avons démontré dans notre laboratoire. Le deuxième porte sur un protocole de vote électronique qui exploite un état quantique multipartite intriqué non fiable pour réaliser une élection sans s'appuyer sur des autorités électorales, dont le résultat peut être vérifié publiquement sans compromettre la robustesse de la construction et qui peut être implémenté aisément avec les technologies de pointe existantes pour un petit nombre de votant. À l'invers des résultats précédents, notre protocole n'exige pas une émission simultanée et marche aussi dans des scénarios bruyants, où la sécurité est limitée par la fidélité de l'état quantique utilisé. Enfin, nous simulons des états comprimés de la lumière de nombreux modes comme des réseaux quantique Gaussien à variables continues avec des topologies complexes, nous caractérisons leur corrélations et nous estimons l'intensification de leur coût pendant que les réseaux grandissent avec une théorie de ressource de compression. Nous prouvons un résultat qui permet de renforcer l'intrication entre deux nœuds du réseau si on mesure les chemins multiples qui les connectent et nous utilisons cet effet pour concevoir un protocole de routage d'intrication dont les performance sont particulièrement efficace dans des réseaux complexes grands.
Compression et dynamique de spin dans une horloge à atomes piégés Les capteurs atomiques sont un outil de référence pour les mesures de précision du temps, des champs électriques et magnétiques et des forces d'inertie. Cependant, en absence d’une corrélation quantique entre atomes, le bruit de projection quantique constitue une limite fondamentale pour ces capteurs, appelée la limite quantique standard (SQL). Les meilleures horloges actuelles ont déjà atteint cette limite. Cependant, elle peut être surmonté en utilisant l’intrication quantique, dans un état comprimé de spin notamment. Ce dernier peut être crée par mesure quantique non-destructive (QND), en particulier dans le cadre de l’électrodynamique quantique en cavité (cQED). Dans cette thèse, je présente la deuxième génération de l'horloge à atomes piégés sur puce TACC, dans laquelle nous combinons une horloge atomique compacte avec une plateforme cQED miniature pour tester les protocoles de métrologie quantique à un niveau de précision métrologique. Dans une mesure Ramsey standard, nous mesurons une stabilité de 6E-13 à 1 s. Nous démontrons la compression de spin par mesure QND, atteignant 8(1) dB pour 1.7E4 atomes, limitée actuellement par la décohérence due au bruit technique. Les collisions entre atomes froids jouent un rôle important à ce niveau de précision, donnant lieu à une riche dynamique de spin. Nous constatons que l’interaction entre mesures par la cavité et dynamique collisionnelle de spin se manifeste dans un effet d'amplification du signal de la cavité. Un modèle simple est proposé et confirmé par des mesures préliminaires. De nouvelles expériences sont proposés pour éclairer davantage la physique à N corps surprenante dans ce système d'atomes froids.
L'émergence de technologies quantiques est favorisée par les progrès dans la manipulation et le contrôle de qubits uniques. Ces technologies se construisent autour des principes fondamentaux de la physique quantique, que sont la superposition d'états, l'intrication et la mesure projective. Un réseau quantique reliant des qubits stationnaires via des canaux photoniques pourrait permettre de surpasser les protocoles de communication et de calcul classiques. Une interface entre des qubits matériels stationnaires et des qubits photoniques messagers serait alors indispensable pour faire circuler l'information quantique dans le réseau.Nous présentons ici le développement d'une interface à l'état solide, où un qubit de spin stationnaire, un électron ou un trou unique piégé dans une boîte quantique semi-conductrice, interagit avec un qubit photonique dans une cavité micropilier. L'interaction spin-photon se produit via la rotation Faraday induite sur la polarisation des photons réfléchis, et dépendante de l'état du spin. Une fois amplifié par la cavité, cet effet peut permettre de transférer la totalité de l'information depuis l'état du spin vers l'état de polarisation des photons, réalisant une interface spin-photon.Nous commençons par décrire la fabrication des dispositifs. Les propriétés de leur hétérostructure planaire déterminent, d'une part, la structure de bande, et donc la possibilité d'injecter électriquement ou optiquement une charge unique dans la boîte quantique. D'autre part, elles déterminent les spécificités optiques de la cavité, optimisée pour amplifier l'interaction spin-photon tout en extrayant une majeure partie des photons par le canal d'intérêt. Afin d'amplifier l'interaction lumière-matière, la technique de lithographie in-situ développée au C2N permet un couplage spatial et spectral de la cavité à la transition désirée de la boîte quantique.Les dispositifs ainsi réalisés sont dans un premier temps caractérisés par tomographie de polarisation, afin de reconstruire dans l'état stationnaire l'état de polarisation complet des photons réfléchis. Les rotations Faraday géantes déduites en font des candidats de choix pour une interface spin-photon. Nous estimons également l'intensité du bruit ainsi que les points de fonctionnement optimaux en termes d'énergie des photons incidents et de polarisations réfléchies associées aux états propres de spin.Ensuite, nous accédons à la dynamique des photons réfléchis grâce aux corrélations croisées mesurées dans des polarisations complémentaires, ce qui permet de remonter à la dynamique du spin avec lequel ils ont interagi. Les contributions des dynamiques de charge et de spin peuvent être isolées en fonction des polarisations mesurées, et les sources de bruits rapides et lents sont identifiées. L'ensemble de ces résultats expérimentaux est comparé aux prédictions théoriques via une simulation basée sur l'équation maîtresse, permettant de comprendre et caractériser les processus en jeu. Celle-ci reproduit une majorité des observations, et fournit une estimation de l'efficacité de l'interface spin-photon en quantifiant la projection de spin induite par la détection des photons.Les deux dispositifs étudiés révèlent les différences entre interfaces spin-photons basées sur un électron ou un trou et l'impact de l'hétérostructure qui les entoure. En effet, la faible sensibilité des trous aux fluctuations de spins nucléaires leur confère un temps de vie plus long que celui des électrons. Cependant, le choix d'une injection électrique des électrons dans la boîte quantique induit une meilleure stabilité que l'injection optique (choisie pour les trous) en les protégeant des bruits électriques lents. En parallèle, un régime radiatif transitoire rapide qui suit la projection de spin est susceptible de brouiller les dynamiques les plus rapides. Ceci oriente vers des dispositifs basés sur le spin d'un trou avec une injection électrique pour concrétiser des interfaces spin-photon idéales.
Cette thèse porte sur l'implémentation de plusieurs portes quantiques logiques qui peuvent être utiles pour des applications en traitement de l'information quantique et qui vont permettre de réaliser physiquement les opérations nécessaires aux calculs sur les qubits. Nous avons au début de cette thèse, implémenté une porte de phase à 4 qubits. Les qubits sont représentés par l'état des photons dans la cavité qui est en interaction avec un atome à cinq niveaux. La seconde partie de cette thèse est consacrée à la réalisation physique de deux portes quantiques universelles (iSWAP et Fredkin). Nous avons utilisé trois types de qubits: qubits photoniques et atomiques et qubits double-voie (dual-rail qubits). Nous étudions ensuite comment implémenter une porte de phase quantique à plusieurs qubits (porte NTCP) avec un qubit de contrôle contrôlant simultanément N qubits cibles. Dans ce système (N atomes à deux niveaux + un mode de la cavité) nous tenons compte de l'interaction dipôle-dipôle (atome-atome) en plus de l'interaction atome-cavité. Finalement nous présentons un nouveau moyen pour faire des calculs quantiques avec des qubits atomiques dans une cavité QED. Ces qubits logiques sont encodés en tant que deux atomes de Rydberg circulaires avec un qui est dans l'état fondamental et l'autre dans l'état excité. Cela nous a permis de construire une suite universelle de portes logiques (deux rotations X et Z sur la sphère de Bloch et une porte CNOT). La faisabilité expérimentale de toutes ces portes quantiques a aussi été étudiée en calculant le temps d'implémentation de chaque porte quantique ainsi que la fidélité associée au traitement quantique de tous les systèmes proposés dans cette thèse.
Génération d'états de spin et photons intriqués au moyen de boîte quantique semi-conductrice Les boîtes quantiques semiconductrices intégrées dans des cavités photoniques sont des émetteurs prometteurs de photons uniques pour les technologies quantiques photoniques. En outre, une boîte quantique peut confiner un porteur de charge unique (électron ou trou) dont le spin peut être utilisé comme mémoire locale, ce qui ouvre la voie à des applications intéressantes. En 2009, il a été proposé d'utiliser ces boîtes quantiques chargées pour émettre de grands états intriqués comprenant le spin confiné et de nombreux photons. Ces états dits de "cluster" présentent un intérêt particulier pour l'informatique quantique photonique et basée sur la mesure. Le défi de la génération de ces états quantiques réside dans la combinaison de la production efficace de photons avec le contrôle du spin confiné : si les deux aspects ont été démontrés séparément, leur combinaison ne l'a pas encore été jusqu'à présent. Dans cette thèse, nous utilisons des boîtes quantiques semi-conductrices pour générer expérimentalement des états intriqués de spin et de photons. Pour ce faire, nous nous appuyons sur une technique d'excitation hors résonance, assistée par phonon, pour générer des photons uniques de manière efficace, tout en préservant l'accès au spin par le biais de la polarisation des photons émis. Nous explorons la physique des spins uniques dans la boîte quantique, en caractérisant en particulier leurs propriétés de cohérence. Nous utilisons ensuite une boîte quantique chargée couplée à une cavité pour générer des états intriqués tripartites comprenant le spin et deux photons indiscernables, démontrant ainsi pour la première fois la mise en œuvre du protocole de 2009 avec une boîte quantique dans une cavité tridimensionnelle. Enfin, nous explorons également l'utilisation d'une boîte quantique neutre pour générer des états quantiques photoniques hyperencodés, où un photon unique est dans une superposition de plusieurs degrés de liberté.