Les émetteurs quantiques sont des sources de photons uniques intéressantes pour les technologies quantiques, pouvant théoriquement émettre un photon unique sur demande. En 2019, il a été démontré que sous excitation résonnante, la cohérence imprimée entre l'état fondamental et l'état excité de l'émetteur quantique est transférée lors de l'émission spontanée en cohérence dans la base d'états de nombre de photons, créant une superposition cohérente de zéro et un photon. Cette démonstration a conduit à de nouvelles études théoriques sur le rôle de la cohérence en nombre de photons en optique quantique et en thermodynamique quantique. Dans cette thèse, nous étudions expérimentalement l'impact de la cohérence en nombre de photons sur certains fondamentaux de l'optique quantique - par exemple l'effet Hong-Ou-Mandel et les interférences de Ramsey - du point de vue de l'optique quantique et de la thermodynamique quantique. Nous démontrons que la cohérence en nombre de photons doit être prise en compte lors de la réalisation de mesures d'indiscernabilité et peut conduire à de nouveaux phénomènes d'interférence quantique qui peuvent altérer considérablement les performances de portes quantiques annoncées. Par ailleurs, nous démontrons que la cohérence occupe non seulement une place centrale en optique quantique, mais aussi dans le domaine de la thermodynamique quantique en proposant et mettant en œuvre des protocoles expérimentaux afin de mesurer les échanges énergétiques entre un émetteur quantique et la lumière. Nous montrons que la génération de cohérence dans un émetteur quantique peut conduire à un transfert spontané de travail vers le champ électromagnétique, qui est réduite par la décohérence de l'émetteur ainsi que par intrication cumulée émetteur-champ lors de l'émission spontanée. Cette dernière observation est approfondie en étudiant les transferts énergétiques entre un émetteur quantique et le vide du champ électromagnétique lors de l'interférence de Ramsey. Cette thèse pose ainsi les bases pour de nombreuses autres études expérimentales sur l'impact et l'utilisation des états de superposition en nombre de photons dans les protocoles d'optique quantique et l'énergétique de l'informatique quantique optique.
Les émetteurs quantiques sont des sources de photons uniques intéressantes pour les technologies quantiques, pouvant théoriquement émettre un photon unique sur demande. En 2019, il a été démontré que sous excitation résonnante, la cohérence imprimée entre l'état fondamental et l'état excité de l'émetteur quantique est transférée lors de l'émission spontanée en cohérence dans la base d'états de nombre de photons, créant une superposition cohérente de zéro et un photon. Cette démonstration a conduit à de nouvelles études théoriques sur le rôle de la cohérence en nombre de photons en optique quantique et en thermodynamique quantique. Dans cette thèse, nous étudions expérimentalement l'impact de la cohérence en nombre de photons sur certains fondamentaux de l'optique quantique - par exemple l'effet Hong-Ou-Mandel et les interférences de Ramsey - du point de vue de l'optique quantique et de la thermodynamique quantique. Nous démontrons que la cohérence en nombre de photons doit être prise en compte lors de la réalisation de mesures d'indiscernabilité et peut conduire à de nouveaux phénomènes d'interférence quantique qui peuvent altérer considérablement les performances de portes quantiques annoncées. Par ailleurs, nous démontrons que la cohérence occupe non seulement une place centrale en optique quantique, mais aussi dans le domaine de la thermodynamique quantique en proposant et mettant en œuvre des protocoles expérimentaux afin de mesurer les échanges énergétiques entre un émetteur quantique et la lumière. Nous montrons que la génération de cohérence dans un émetteur quantique peut conduire à un transfert spontané de travail vers le champ électromagnétique, qui est réduite par la décohérence de l'émetteur ainsi que par intrication cumulée émetteur-champ lors de l'émission spontanée. Cette dernière observation est approfondie en étudiant les transferts énergétiques entre un émetteur quantique et le vide du champ électromagnétique lors de l'interférence de Ramsey. Cette thèse pose ainsi les bases pour de nombreuses autres études expérimentales sur l'impact et l'utilisation des états de superposition en nombre de photons dans les protocoles d'optique quantique et l'énergétique de l'informatique quantique optique.
Impact de la cohérence dans la base d'états de nombre de photons sur les performances et aspects énergétiques des protocoles d'optique quantique Les émetteurs quantiques sont des sources de photons uniques intéressantes pour les technologies quantiques, pouvant théoriquement émettre un photon unique sur demande. En 2019, il a été démontré que sous excitation résonnante, la cohérence imprimée entre l'état fondamental et l'état excité de l'émetteur quantique est transférée lors de l'émission spontanée en cohérence dans la base d'états de nombre de photons, créant une superposition cohérente de zéro et un photon. Cette démonstration a conduit à de nouvelles études théoriques sur le rôle de la cohérence en nombre de photons en optique quantique et en thermodynamique quantique. Dans cette thèse, nous étudions expérimentalement l'impact de la cohérence en nombre de photons sur certains fondamentaux de l'optique quantique - par exemple l'effet Hong-Ou-Mandel et les interférences de Ramsey - du point de vue de l'optique quantique et de la thermodynamique quantique. Nous démontrons que la cohérence en nombre de photons doit être prise en compte lors de la réalisation de mesures d'indiscernabilité et peut conduire à de nouveaux phénomènes d'interférence quantique qui peuvent altérer considérablement les performances de portes quantiques annoncées. Par ailleurs, nous démontrons que la cohérence occupe non seulement une place centrale en optique quantique, mais aussi dans le domaine de la thermodynamique quantique en proposant et mettant en œuvre des protocoles expérimentaux afin de mesurer les échanges énergétiques entre un émetteur quantique et la lumière. Nous montrons que la génération de cohérence dans un émetteur quantique peut conduire à un transfert spontané de travail vers le champ électromagnétique, qui est réduite par la décohérence de l'émetteur ainsi que par intrication cumulée émetteur-champ lors de l'émission spontanée. Cette dernière observation est approfondie en étudiant les transferts énergétiques entre un émetteur quantique et le vide du champ électromagnétique lors de l'interférence de Ramsey. Cette thèse pose ainsi les bases pour de nombreuses autres études expérimentales sur l'impact et l'utilisation des états de superposition en nombre de photons dans les protocoles d'optique quantique et l'énergétique de l'informatique quantique optique.
Les phénomènes quantiques les plus fondamentaux comme la cohérence quantique et l’intrication sont aujourd'hui explorés pour réaliser de nouvelles technologies. C'est le domaine des technologies quantiques, qui promettent de révolutionner le calcul, la communication et la métrologie. En encodant l'information dans les systèmes quantiques, il serait possible de résoudre des problèmes inaccessibles aux ordinateurs classiques, de garantir une sécurité absolue dans les communications et de développer des capteurs dépassant les limites classiques de précision. Les photons uniques, en tant que vecteurs d'information quantique, ont acquis un rôle central dans ce domaine, car ils peuvent être manipulés facilement et être utilisés pour mettre en œuvre de nombreux protocoles quantiques. Pour cela, il est essentiel de développer des interfaces très efficaces entre les photons et les systèmes quantiques matériels, tels les atomes uniques, une fonctionnalité fondamentale à la fois pour la génération et la manipulation des photons. La réalisation de tels systèmes dans l'état solide permettrait de fabriquer des dispositifs quantiques intégrés et à large échelle. Dans ce travail de thèse, nous étudions l'interface lumière-matière réalisée par une boîte quantique unique, utilisée comme un atome artificiel, couplée de façon déterministe à une cavité de type micropilier. Un tel dispositif s'avère être un émetteur et un récepteur efficace de photons uniques, et il est utilisé ici pour implémenter des fonctionnalités quantiques de base. Tout d'abord, sous une excitation optique résonante, nous montrons comment nos composants sont des sources très brillantes de photons uniques. L’accélération de l'émission spontanée de la boîte quantique dans la cavité et le contrôle électrique de la structure permettent de générer des photons très indiscernables avec une très haute brillance. Cette nouvelle génération de sources de photons uniques peut être utilisée pour générer des états de photons intriqués en chemin appelés états NOON. Ces états intriqués sont des ressources importantes pour la détection de phase optique, mais leur caractérisation optique a été peu étudiée jusqu’à présent. Nous présentons une nouvelle méthode de tomographie pour caractériser les états de NOON encodés en chemin et implémentons expérimentalement cette méthode dans le cas de deux photons. Enfin, nous étudions le comportement de nos composants comme filtres non-linéaires de lumière. L'interface optimale entre la lumière et la boîte quantique permet l'observation d'une réponse optique non-linéaire au niveau d'un seul photon incident. Cet effet est utilisé pour démontrer le filtrage des états Fock à un seul photon à partir d’impulsions classiques incidentes. Ceci ouvre la voie à la réalisation efficace d’interactions effectives entre deux photons dans un système à l’état solide, une étape fondamentale pour surmonter les limitations dues au fonctionnement probabilistes des portes optiques linéaires.
Les boîtes quantiques semi-conductrices se sont imposées comme d'excellentes sources de photons uniques pour les technologies quantiques optiques. Lorsqu'elles sont insérées dans une cavité optique, elles émettent de manière déterministe des photons uniques purs et indiscernables à la demande, avec des taux d'émission élevés. Les sources de photons uniques à boîte quantiques ont jusqu'à présent été utilisées pour traiter les informations quantiques encodées dans les modes discrets des photons uniques, selon un cadre connu sous le nom de codage à variables discrètes. Alternativement, les informations quantiques peuvent être encodées sur les quadratures continues du champ optique dans le cadre des variables continues. Grâce à leur capacité à générer de manière déterministe des états de lumière non gaussiens complexes et à fournir une non-linéarité optique au niveau du photon unique, les boîtes quantiques dans les cavités pourraient également offrir de nouvelles possibilités pour traiter les informations dans une approche à variables continues.Dans cette thèse de doctorat, nous faisons un premier pas vers le positionnement de nos sources de boîte quantiques comme ressources potentielles pour les technologies quantiques optiques à variables continues. Nous présentons de la mesure de la fonction de Wigner de l'état photonique unique et des états de superposition du nombre de photons générés par un émetteur quantique à l'état solide. Nous avons atteint cet objectif en surmontant les principaux défis liés au fonctionnement dans le régime de faible transmission et à l'ajustement des techniques de mesure au taux d'emission élevé de nos sources de photons uniques : (i) l'optimisation de l'interférence quantique entre l'oscillateur local (un état cohérent faible) et les états photoniques émis par notre dispositif à boîte quantiques, ce qui conduit à des opérations de déplacement optimales, (ii) la correction de la perte de photons, et (iii) la reconstruction de la distribution du nombre de photons à partir de la détection de photons uniques.
Les boîtes quantiques sont des sources de photons uniques prometteuses pour les réseaux d’information quantique, qui peuvent être intégrées dans des circuits photoniques et s’appuyer sur des technologies de semi-conducteur éprouvées. Dans ce contexte, ce travail se concentre sur les propriétés d’indiscernabilité des photons émis par une boîte quantique semiconductrice sous excitation résonnante. Nous utilisons une configuration particulière où les boîtes sont insérées dans une microcavité planaire permettant de s’affranchir du fond de diffusion parasite du laser d’excitation et d’améliorer la collection du signal d’émission. Nous pouvons ainsi explorer un régime de très basse puissance, où les photons d’excitation sont diffusés élastiquement sur la transition fondamentale de la boîte quantique (régime de diffusion Rayleigh résonnante). Dans ce régime, la cohérence du laser d’excitation est transmise aux photons émis, faisant des boîtes quantiques une source de photons uniques avec une cohérence extrêmement longue.Les propriétés d’indiscernabilité sont étudiées en utilisant les interférences à deux photons (coalescence) dans un interféromètre de Hong–Ou–Mandel. Une étude expérimentale complète de l’indiscernabilité est présentée en fonction de la puissance d’excitation ainsi que du temps de cohérence du laser d’excitation. Elle montre en particulier l’effet de la diffusion élastique dans la limite de basse puissance d’excitation. Il apparaît qu’une nouvelle caractéristique quantitative doit être introduite afin d’estimer l’indiscernabilité en tant que phénomène temporel, un aspect particulièrement important lorsque les émetteurs sont des sources continues de photons.
Cette thèse porte sur la manipulation d états non-classiques de la lumière, en vue d applications à l information quantique. Nous montrons que les outils théoriques et expérimentaux propres à une approche discrète, où la lumière est décrite comme un ensemble de photons, peuvent être efficacement combinés avec une approche continue, où l on s intéresse aux quadratures de l onde électromagnétique. On peut ainsi créer, transformer et analyser des états quantiques complexes. Nous avons préparé des impulsions lumineuses ultrabrèves dans des états "chat de Schrödinger" (superpositions quantiques d'états cohérents). Le champ électromagnétique de l'onde lumineuse n est alors plus décrit par une statistique classique, mais par une fonction de Wigner prenant des valeurs négatives. Grâce à une reconstruction par tomographie homodyne, nous avons réalisé la première observation expérimentale de cette négativité pour de petits chatons de Schrödinger en propagation libre. Nous avons ensuite développé et démontré expérimentalement un protocole permettant de préparer des chats de Schrödinger optiques de taille arbitraire et d'ouvrir la voie vers de multiples applications en information quantique. Nous avons également montré que la soustraction conditionnelle de photons permettait d augmenter l intrication d'états gaussiens. Avec cette approche, nous avons intriqué deux impulsions séparées et indépendantes, en utilisant un canal quantique de fortes pertes. On peut ainsi préparer, entre deux sites éloignés, des états fortement intriqués à fonction de Wigner négative, élément essentiel pour la distillation d intrication et les communications quantiques à grande distance.
L'un des principaux accomplissements scientifiques du siècle dernier est sans doute le développement de la Physique Quantique. Parallèlement, notre société est entrée dans l'ère de l'information. Aujourd'hui, théorie de l'information et théorie quantique se recoupent sous un champ d'activité émergent : le traitement de l'information quantique. Ce domaine propose de tirer parti des corrélations subtiles entre états quantiques pour effectuer des opérations de communication ou de logique. Ces travaux de thèse s'inscrivent dans ce contexte. Ils visent la génération d'états quantiques de la lumière, pour tester les prévisions contre-intuitives de la mécanique quantique, mais aussi pour l'ingénierie de dispositifs de traitement de l'information quantique. Ces états quantiques sont des photons uniques indiscernables, rayonnés par des boîtes quantiques uniques. S'il est bien connu aujourd'hui que ces nano-émetteurs émettent des photons uniques, des processus rapides de décohérence propres à la physique du solide détériore l'indiscernabilité entre photons successivement émis. Pour restaurer l'indiscernabilité entre photons, le processus d'émission est accéléré en couplant la boîte au mode d'une microcavité optique (un micropilier), de sorte que les photons sont émis avant qu'ils ne soient marqués par les processus déphasants. Ainsi, nous avons pu produire des photons uniques avec un degré d'indiscernabilité supérieur à 75%. Ces photons sont alors sujets à des phénomènes d'interférence peu communs : lorsque deux photons sont incidents sur les deux ports d'entrée d'une lame séparatrice, les deux photons ressortent de la lame toujours sur le même port de sortie