Les lasers femtoseconde sont des sources de très haute précision pour la métrologie. La possibilité de produire des états comprimés dans ce régime pourrait conduire à une amélioration des mesures physiques. Dans une première partie, j'introduirai une limite de sensibilité pour l'estimation de paramètres portés par le champ électromagnétique, utilisant des ressources gaussiennes quelconques. Il peut être montré qu'un état comprimé monomode, sur un mode bien défini, est optimal d'un point de vue expérimental. Je présenterai alors un schéma simple et général, utilisant une détection homodyne, qui permet de mesurer de façon optimale des paramètres portés par le champ électromagnétique. Dans une seconde partie, je présenterai les résultats expérimentaux que nous avons obtenus en utilisant un oscillateur paramétrique optique femtoseconde pompé de façon synchrone. J'exposerai la production d'états comprimés en intensité dans ce régime ainsi que la preuve du caractère multimode de la lumière produite. Ceci constitue une étape majeure pour la production d'états multimodes sur mesure en régime femtoseconde.
Les lasers femtoseconde sont des sources de très haute précision pour la métrologie. La possibilité de produire des états comprimés dans ce régime pourrait conduire à une amélioration des mesures physiques. Dans une première partie, j'introduirai une limite de sensibilité pour l'estimation de paramètres portés par le champ électromagnétique, utilisant des ressources gaussiennes quelconques. Il peut être montré qu'un état comprimé monomode, sur un mode bien défini, est optimal d'un point de vue expérimental. Je présenterai alors un schéma simple et général, utilisant une détection homodyne, qui permet de mesurer de façon optimale des paramètres portés par le champ électromagnétique. Dans une seconde partie, je présenterai les résultats expérimentaux que nous avons obtenus en utilisant un oscillateur paramétrique optique femtoseconde pompé de façon synchrone. J'exposerai la production d'états comprimés en intensité dans ce régime ainsi que la preuve du caractère multimode de la lumière produite. Ceci constitue une étape majeure pour la production d'états multimodes sur mesure en régime femtoseconde.
Les lasers femtoseconde sont des sources de très haute précision pour la métrologie. La possibilité de produire des états comprimés dans ce régime pourrait conduire à une amélioration des mesures physiques. Dans une première partie, j'introduirai une limite de sensibilité pour l'estimation de paramètres portés par le champ électromagnétique, utilisant des ressources gaussiennes quelconques. Il peut être montré qu'un état comprimé monomode, sur un mode bien défini, est optimal d'un point de vue expérimental. Je présenterai alors un schéma simple et général, utilisant une détection homodyne, qui permet de mesurer de façon optimale des paramètres portés par le champ électromagnétique. Dans une seconde partie, je présenterai les résultats expérimentaux que nous avons obtenus en utilisant un oscillateur paramétrique optique femtoseconde pompé de façon synchrone. J'exposerai la production d'états comprimés en intensité dans ce régime ainsi que la preuve du caractère multimode de la lumière produite. Ceci constitue une étape majeure pour la production d'états multimodes sur mesure en régime femtoseconde.
Information quantique basée sur la mesure avec des peignes de fréquences optiques 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.
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.
Analyse modale d'un peigne de fréquences femtoseconde : corrélations spectrales classiques et quantiques Dans cette thèse, nous étudions les applications aux mesures de précision à la limite quantique d'un peigne de fréquence optique dans le régime femtoseconde, ainsi que les fluctuations de sa structure spectrale. Pour cela, nous utilisons un formalisme emprunté au domaine de l'optique quantique. Nous démontrons que la structure du peigne peut effectivement être décomposée sur une base de modes, dont chacun est relié à un paramètre physique. À l'aide de mesures projectives, nous montrons qu'il est alors possible d'accéder à une information portée par le champ électromagnétique (tel le délai temporel d'une impulsion), ainsi qu'aux fluctuations de la source laser (en analogie, la gigue temporelle). Finalement, nous proposons l'élaboration d'un système pour générer deux faisceaux quantiques "comprimés en temps", puisqu'ils permettent de mesurer un délai avec une sensibilité accrue par rapport à l'utilisation de ressources classiques.
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.