Nous présentons la génération d'états intriqués en variables continues multimodes présentant des corrélations spatio-spectrales non classiques. Ces états sont produits à un taux de 156 MHz par génération paramétrique spontanée (SPDC) en simple-passage dans un cristal de bêta-barium borate (BBO) pompé par un peigne de fréquences optiques et suivant une configuration non-colinéaire. Les états produits sont les briques élémentaires d'états quantiques hautement intriqués appelés états cluster en rail, essentiels à la mise en place de protocole de calcul quantique basé sur la mesure successive des modes d'un cluster (MBQC). Nous caractérisons les états par avec une détection homodyne mode-sélective pour mettre en évidence la structure multimode de la lumière paramétrique. En raison de la configuration de l'expérience, les états générés sont hautement multimodes spatialement et spectralement et présentent un faible niveau de squeezing par mode, i.e. juste au dessus de la résolution de notre détecteur. Comme le squeezing est une ressource importante pour la MBQC, nous avons développé un nouveau montage de SPDC avec des guides d'onde en titanyl phosphate de potassium de nonlinéarité périodiquement inversée (PPKTP) pour remplacer le cristal de BBO. Grâce à la nonlinéarité plus élevée du KTP, le confinement de la lumière dans le guide et l'emploi de la technique de quasi-phase matching, le niveau de squeezing par mode devrait être augmenté. Dans le même temps, nous avons travaillé à développer un détecteur homodyne de grande bande passante fonctionnant avec de la lumière pulsée, afin de pouvoir effectuer des mesures homodynes impulsion par impulsion.
Nous présentons la génération d'états intriqués en variables continues multimodes présentant des corrélations spatio-spectrales non classiques. Ces états sont produits à un taux de 156 MHz par génération paramétrique spontanée (SPDC) en simple-passage dans un cristal de bêta-barium borate (BBO) pompé par un peigne de fréquences optiques et suivant une configuration non-colinéaire. Les états produits sont les briques élémentaires d'états quantiques hautement intriqués appelés états cluster en rail, essentiels à la mise en place de protocole de calcul quantique basé sur la mesure successive des modes d'un cluster (MBQC). Nous caractérisons les états par avec une détection homodyne mode-sélective pour mettre en évidence la structure multimode de la lumière paramétrique. En raison de la configuration de l'expérience, les états générés sont hautement multimodes spatialement et spectralement et présentent un faible niveau de squeezing par mode, i.e. juste au dessus de la résolution de notre détecteur. Comme le squeezing est une ressource importante pour la MBQC, nous avons développé un nouveau montage de SPDC avec des guides d'onde en titanyl phosphate de potassium de nonlinéarité périodiquement inversée (PPKTP) pour remplacer le cristal de BBO. Grâce à la nonlinéarité plus élevée du KTP, le confinement de la lumière dans le guide et l'emploi de la technique de quasi-phase matching, le niveau de squeezing par mode devrait être augmenté. Dans le même temps, nous avons travaillé à développer un détecteur homodyne de grande bande passante fonctionnant avec de la lumière pulsée, afin de pouvoir effectuer des mesures homodynes impulsion par impulsion.
Génération en simple passage et détection de compression quantique d'impulsions lumineuses multimodes Nous présentons la génération d'états intriqués en variables continues multimodes présentant des corrélations spatio-spectrales non classiques. Ces états sont produits à un taux de 156 MHz par génération paramétrique spontanée (SPDC) en simple-passage dans un cristal de bêta-barium borate (BBO) pompé par un peigne de fréquences optiques et suivant une configuration non-colinéaire. Les états produits sont les briques élémentaires d'états quantiques hautement intriqués appelés états cluster en rail, essentiels à la mise en place de protocole de calcul quantique basé sur la mesure successive des modes d'un cluster (MBQC). Nous caractérisons les états par avec une détection homodyne mode-sélective pour mettre en évidence la structure multimode de la lumière paramétrique. En raison de la configuration de l'expérience, les états générés sont hautement multimodes spatialement et spectralement et présentent un faible niveau de squeezing par mode, i.e. juste au dessus de la résolution de notre détecteur. Comme le squeezing est une ressource importante pour la MBQC, nous avons développé un nouveau montage de SPDC avec des guides d'onde en titanyl phosphate de potassium de nonlinéarité périodiquement inversée (PPKTP) pour remplacer le cristal de BBO. Grâce à la nonlinéarité plus élevée du KTP, le confinement de la lumière dans le guide et l'emploi de la technique de quasi-phase matching, le niveau de squeezing par mode devrait être augmenté. Dans le même temps, nous avons travaillé à développer un détecteur homodyne de grande bande passante fonctionnant avec de la lumière pulsée, afin de pouvoir effectuer des mesures homodynes impulsion par impulsion.
Ressources quantiques à variable continue aux longueurs d'onde de télécommunication Les réseaux quantiques à variables continues constituent une ressource précieuse pour un large éventail de protocoles de communication et de traitement de l'information quantiques. Le multiplexage en fréquence et le multiplexage temporel rapide permettent la mise en œuvre d'architectures quantiques évolutives, dans ce cadre une caractérisation précise des sources de lumière comprimée multimode est essentielle. Dans ce travail, nous augmentons à la fois la résolution spectrale et les valeurs de compression mesurées. Ces deux paramètres sont déterminants pour l'amélioration de la génération des états dits cluster, une ressource clé pour le calcul quantique basé sur la mesure. Notre source repose sur la conversion paramétrique descendante dans un guide d'onde en PPKTP, pompé par un laser pulsé. La source génère des états comprimés sur un ensemble spécifique de spectres optiques. L'augmentation de la résolution spectrale dans une détection homodyne résolue spectralement nous a permis d'améliorer la compression par mode spectral, en la faisant passer de 1 dB à plus de 2,4 dB dans le premier mode, lors de mesures effectuées avec un détecteur homodyne de largeur de bande de quelques MHz. Dans un second temps, nous avons mis en œuvre une caractérisation impulsion par impulsion de la ressource à l'aide d'un détecteur homodyne rapide dont la bande passante électronique est de l'ordre du taux de répétition du laser (100 MHz). Cette approche a permis de mettre en évidence des valeurs de compression allant jusqu'à 1,5 dB dans les premiers modes spectraux. Afin d'accéder pleinement à la ressource quantique multimode et, à terme, d'augmenter le niveau de compression mesuré, une efficacité quantique élevée est requise. Pour éviter les limitations dues à un mauvais recouvrement spatial entre la ressource quantique et l'oscillateur local en détection homodyne, nous avons mis en place un schéma de façonnage du front d'onde permettant de caractériser et de contrôler à la fois le profil d'intensité et la phase de l'oscillateur local. Lors de tests préliminaires, cette approche a permis d'augmenter le recouvrement entre le faisceau de référence et le signal quantique de plus de 8 %, tout en fournissant simultanément une caractérisation détaillée de la forme du faisceau et de l'influence de la transmission du guide d'onde sur le profil du faisceau. Pour obtenir un avantage réel en traitement de l'information quantique par rapport aux protocoles classiques, la génération d'états non gaussiens est nécessaire. Nous présentons donc un schéma complet pour la création d'états non gaussiens dans un système multimode par addition et soustraction sélectives d'un photon, mises en œuvre via des processus optiques non linéaires dans des matériaux non linéaires du second ordre. Nous introduisons un cadre de simulation appliqué à notre source de compression, qui peut également être adapté à d'autres régimes. Sur la base de ce cadre, nous sommes en mesure de prédire des configurations spécifiques de guides d'onde permettant un contrôle complet des états quantiques générés tout en conservant une pureté élevée, chaque processus présentant un nombre de Schmidt proche de K=1, correspondant à un adressage effectif monomode.
Multiplexage temporel et fréquentiel pour les réseaux quantiques à variables continues Les champs de lumière quantique multimode ont émergé en tant qu'outil prometteur pour la génération d'états intriqués multipartites, aussi appelés états cluster, et pour l'avancement des technologies de l'information quantique à variables continues (CV). Dans notre approche, les nœuds du réseau intriqué représentent des modes temporels/fréquentiels du champ électromagnétique, tandis que les liens correspondent à des corrélations d'intrication adaptées. Dans cette thèse, nous démontrons la génération d'états comprimés multimodes qui sont multiplexés à la fois dans le domaine temporel et spectral. Notre configuration est basée sur une série d'impulsions ultracourtes qui alimentent un processus de conversion paramétrique descendante spontanée dans un guide d'ondes non linéaire périodiquement polarisé de KTP. Dans ce contexte, nous avons produit le plus grand nombre de modes spectraux de vide comprimé mesurés par détection homodyne dans une configuration à passage unique. De plus, nous avons effectué des mesures impulsion par impulsion, confirmant l'existence de la structure spectrale multimode au niveau de l’impulsion individuelle ; ceci ouvre la voie à la génération de structures intriquées au taux de répétition du laser. Alors que le multiplexage temporel a déjà permis la génération des plus grands états de cluster CV, la compression multimode dans les modes spectraux d'une source femtoseconde offre une reconfigurabilité complète du réseau d'intrication. En plus de la génération de réseaux intriqués multiplexés, cette thèse explore d'autres types d'applications du traitement de l'information quantique exploitant la lumière comprimée multimode. Le grand nombre de modes pulsés nous permet d'implémenter des marches quantiques sur un graphe à des fins de recherche (de façon analogue à l’algorithme de Grover). De plus, la lumière comprimée multimode a également été exploitée dans ce travail pour étudier le domaine des simulations quantiques, et en particulier pour observer l'émergence d'effets de synchronisation quantique.
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.
Cette thèse a pour ambition de préparer des états de la lumière dotés de caractéristiques nouvelles et désirables en utilisant les propriétés des peignes de fréquences appliquées à l'optique quantique multimode. Un des avantages de l'optique femtoseconde vient du caractère hautement multimode des peignes de fréquence, qui permet notamment de créer du vide comprimé multimode. La répartition des ressources quantiques entre ces différents modes étant d'importance, nous avons étudié une manière de la contrôler grâce à une mise en forme spectrale du faisceau de pompe de l'oscillateur paramétrique optique. Nous montrons qu'une détection homodyne multipixel est un outil d'analyse indispensable. Pour une répartition modale donnée, il est possible de modifier l'état quantique qui la peuple. Une modification désirable est la dégaussification de la fonction de Wigner, que nous implémentons au moyen d'une soustraction de photon. Outre la possibilité de dégaussifier l'état dans un mode, notre dispositif permet également de soustraire un photon dans une superposition cohérente de supermodes, ce qui est nouveau. De plus, nous pouvons choisir librement le mode dans lequel la soustraction a lieu. Cette versatilité permet de créer de nouveaux types d'états, par exemple lorsque l'on soustrait dans les nœuds d'un canevas quantique (aussi appelé état cluster). En particulier, nous pouvons créer des états présentant de l'intrication inhérente entre les modes, c'est-à-dire une intrication qui ne peut pas être défaite par changement de base.
La sensibilité des expériences de spectroscopie avec des sources de lumière classiques est limitée, au mieux, par le bruit de photons des faisceaux. L'Oscillateur Paramétrique Optique (OPO) produit des faisceaux dont les fluctuations sont corrélées au niveau quantique. Leur utilisation en spectroscopie peut donc permettre de réduire le bruit de fond de la mesure en dessous de la limite quantique standard. La partie expérimentale de cette thèse consiste à observer le signal d'absorption de la transition 4S-5S du Potassium sur l'un des faisceaux jumeaux. La mesure est effectuée sur la différence entre l'intensité du faisceau signal et celle du faisceau complémentaire en balayant la fréquence du laser à semi-conducteur qui fournit le second photon de la transition. Pour un faisceau signal de 6 mW produit par un OPO continu et un faisceau du laser à semi conducteur de 20 mW, nous avons observé une absorption relative de 2.5x10^-7 sur une bande passante de 3 Hz. Ce très faible signal a été détecté avec un bruit de fond réduit de 35% par rapport à la limite quantique standard. Sur le plan théorique, nous avons approfondi le modèle décrivant les champs produits par génération paramétrique. Jusqu'à présent, les théories sur le fonctionnement de ces sources de lumière non classique étaient basées sur un modèle en onde plane. Nous avons affiné ce modèle en prenant en compte la structure gaussienne de la lumière. Dans un premier temps, nous avons analysé le fonctionnement multimode transverse de l'OPO. Puis, du point de vue de la réduction des fluctuations quantiques des champs, nous avons étudié les modifications des prédictions du modèle en onde plane, dues aux effets transverses.