L'optique quantique multi-mode spatiale, encore appelée imagerie quantique , permet d étudier la détection d'un paramètre physique quelconque au sein d'une image optique. Nous considérons en particulier la mesure de déplacement transverse d'un faisceau laser et la détection d une séquence de bits gravée sur un disque optique. De telles mesures sont ultimement limitées par la nature quantique de l image optique considérée. Néanmoins, l utilisation d un faisceau non classique permet de réduire les fluctuations de mesure sous cette limite fondamentale. A ce titre, nous présentons des mesures de nano-déplacements d un faisceau laser, ainsi que l intrication des variables conjuguées : position et inclinaison du faisceau. Ces expériences nous ont amenés à introduire l ensemble des composants élémentaires requis en imagerie quantique. L'utilisation de lumière multi-mode comme support multi-canal dinformation quantique est également détaillée.
L'optique quantique multi-mode spatiale, encore appelée imagerie quantique , permet d étudier la détection d'un paramètre physique quelconque au sein d'une image optique. Nous considérons en particulier la mesure de déplacement transverse d'un faisceau laser et la détection d une séquence de bits gravée sur un disque optique. De telles mesures sont ultimement limitées par la nature quantique de l image optique considérée. Néanmoins, l utilisation d un faisceau non classique permet de réduire les fluctuations de mesure sous cette limite fondamentale. A ce titre, nous présentons des mesures de nano-déplacements d un faisceau laser, ainsi que l intrication des variables conjuguées : position et inclinaison du faisceau. Ces expériences nous ont amenés à introduire l ensemble des composants élémentaires requis en imagerie quantique. L'utilisation de lumière multi-mode comme support multi-canal dinformation quantique est également détaillée.
Nous considérons la description quantique de la lumière dans le régime des variables continues, où les photons ne sont pas distinguables individuellement. Dans la limite des petites fluctuations quantiques, nous cherchons à augmenter la richesse, et les possibles applications, des états quantiques produits en multipliant le nombre de "modes" -ou degrés de libertés- mis en jeu par le processus de détection. C'est ce que nous appelons l'optique quantique multimode. Dans ce cadre, nous voyons comment, en pratique, compter le nombre de modes pertinents au sein d'un faisceau lumineux. Puis nous reprenons la théorie de la mesure optique pour associer le caractère multimode de la lumière à la recherche d'information dans un faisceau. Par cette approche, nous redéfinissons les limites ultimes de la mesure et nous considérons l'intrication quantique à partir de n'importe quelle grandeur mesurable. Nous illustrons cette théorie par des expériences mettant en jeu de plus en plus de modes : mesures de photons jumeaux, intrication et téléportation quantique, mesure et réduction du bruit de polarisation, nano-positionnement d'un faisceau au delà de la limite quantique standard, intrication spatiale, amplification sans bruit d'images et optique quantique multimode avec des peignes de fréquence. Nous évoquons également les possibles applications à l'accroissement des capacités de stockage et de transfert d'information, au traitement en parallèle de l'information quantique et à l'amélioration les techniques d'imagerie et de métrologie.
Nous étudions les propriétés quantiques des images optiques. Sur le plan théorique, nous nous plaçons dans le plan transverse du champ électromagnétique pour définir des observables les plus proches possibles de ce que mesurent les détecteurs en optique. Nous montrons alors la nécessité d'une approche multimode transverse pour la description des images. Nous élaborons une méthode de calcul des fluctuations en tout point du plan transverse d'un nombre quelconque de champs après leur interaction avec un cristal non linéaire. Nous appliquons ces principes pour définir les limites de résolution dans les images optiques imposées par la mécanique quantique. Nous appliquons le cas particulier du champ bimode aux mesures de positions d'un faisceau effectuées par un détecteur à deux zones. Nous montrons alors, à la fois théoriquement et expérimentalement, que le choix adéquat de deux modes non classiques permet de faire des mesures de déplacement en dessous de la limite quantique standard. D'un autre côté, nous appliquons la méthode de calcul des fluctuations au cas particulier du soliton spatial, système permettant de s'affranchir de la diffraction. On montre que, même si elle ne modifie pas le champ moyen, la diffraction est responsable de la diffusion des propriétés quantiques, qui se retrouvent alors dans les fonctions de corrélations entre deux points transverses. Finalement, nous décrivons une expérience réalisée avec un oscillateur paramétrique optique dégénéré transversalement, qui permet de faire osciller pour une même longueur de cavité un grand nombre de modes transverses. La présence d'un cristal non linéaire d'ordre deux permet de coupler les modes et d'obtenir des effets quantiques non monomodes transverses.
\nL'étude des images optiques au niveau quantique nécessite de prendre en compte la structure multimode transverse de la lumière. Dans le cas particulier d'une mesure de position d'un faisceau lumineux effectuée par un détecteur à deux zone, on montre qu'il est nécessaire, si on veut améliorer la précision des mesures en réduisant le bruit quantique de la lumière, d'utiliser deux modes transverses. Nous présentons la première réalisation expérimentale d'une réduction de bruit spatiale, ce qui nous permet ensuite d'effectuer des mesures de petits déplacements sous la limite quantique standard.\n
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.
L’objectif d'un dispositif de mesure QND est de controler l'action en retour, imposee par la mecanique quantique, qui se produit sur un systeme soumis a une mesure. Il est, en effet, possible de rejeter cette perturbation entierement sur l'observable complementaire de celle mesuree, laissant cette derniere inchangee. Nous presentons ici, de maniere detaillee, un ensemble de criteres quantitatifs permettant d'evaluer les performances d'un dispositif mesurant l'intensite d'un faisceau lumineux. Ces criteres permettent en particulier de separer clairement des domaines classique et quantique de fonctionnement d'un tel dispositif. La premiere experience realisee utilise le couplage par effet Kerr croise de deux faisceaux laser dans un milieu non lineaire. Ce milieu est compose d'un jet atomique de sodium place dans une cavite optique doublement resonnante. Nous avons effectue une analyse theorique complete des proprietes de bruit quantique d'un tel systeme. Nous avons identifie un regime de parametres, base sur des effets de deplacement lumineux, pour lequel il existe un transfert efficace d'information du faisceau incident vers la voie de mesure, sans degradation appreciable du signal. Ces previsions theoriques ont ensuite ete verifiees dans notre experience. Nous presentons egalement une deuxieme experience utilisant la detection puis la reemission de la lumiere par des composants optoelectroniques a semi-conducteur. Nous montrons que lorsque les taux de conversion photon-electron pour les photodiodes et electron-photon pour les diodes electroluminescentes sont proches de l'unite, ce dispositif permet de mesurer puis de recreer les fluctuations quantiques du faisceau incident. La demonstration de principe que nous avons realisee laisse presager des applications possibles dans le domaine des reseaux de telecommunication optique.
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.