Cette thèse est consacrée à l'étude expérimentale et théorique des corrélations quantiques en variables continues. La question de la caractérisation de ces corrélations est largement abordée, en particulier dans le cas des états gaussiens. Le formalisme mathématique des matrices de covariance, particulièrement adapté à cette étude, est développé ; et les différents critères existants sont répertoriés. Ces critères permettent de caractériser le degré d'intrication des faisceaux générés par le dispositif expérimental au cœur de cette thèse : un Oscillateur Paramétrique Optique auto-verrouillé en phase. Au-dessous du seuil, les faisceaux, de valeur moyenne nulle, présentent une séparabilité de 0,33. Le système viole de manière apparente l'inégalité de Heisenberg de 58%. Au-dessus du seuil, les faisceaux brillants obtenus sont également fortement non classiques : la séparabilité vaut 0,76 et l'inégalité de Heisenberg est violée en apparence de 24%. Une application originale de ce dispositif est proposée : il est montré théoriquement qu'un OPO à deux cristaux auto-verrouillé en phase génère deux faisceaux intriqués en polarisation, ce qui devrait faciliter le transfert de l'intrication de la lumière à la matière.
Cette thèse est consacrée à l'étude expérimentale et théorique des corrélations quantiques en variables continues. La question de la caractérisation de ces corrélations est largement abordée, en particulier dans le cas des états gaussiens. Le formalisme mathématique des matrices de covariance, particulièrement adapté à cette étude, est développé ; et les différents critères existants sont répertoriés. Ces critères permettent de caractériser le degré d'intrication des faisceaux générés par le dispositif expérimental au cœur de cette thèse : un Oscillateur Paramétrique Optique auto-verrouillé en phase. Au-dessous du seuil, les faisceaux, de valeur moyenne nulle, présentent une séparabilité de 0,33. Le système viole de manière apparente l'inégalité de Heisenberg de 58%. Au-dessus du seuil, les faisceaux brillants obtenus sont également fortement non classiques : la séparabilité vaut 0,76 et l'inégalité de Heisenberg est violée en apparence de 24%. Une application originale de ce dispositif est proposée : il est montré théoriquement qu'un OPO à deux cristaux auto-verrouillé en phase génère deux faisceaux intriqués en polarisation, ce qui devrait faciliter le transfert de l'intrication de la lumière à la matière.
Cette thèse est consacrée à l étude expérimentale et théorique des corrélations quantiques en variables continues. La caractérisation des corrélations est largement abordée dans le cas des états gaussiens, grâce aux matrices de covariance et aux différents critères existants. Ils permettent de déterminer le degré d intrication des faisceaux générés par le dispositif expérimental au cœur de cette thèse : un Oscillateur Paramétrique Optique auto-verrouillé en phase. Sous le seuil, les faisceaux, de valeur moyenne nulle, présentent une séparabilité de 0,33. Le critère EPR vaut 0,42. Au-dessus du seuil, les faisceaux brillants obtenus sont également fortement non classiques : la séparabilité vaut 0,76 et le critère EPR 0,87. Une application originale de ce dispositif est proposée : il est montré théoriquement qu un OPO à deux cristaux auto-verrouillé en phase génère deux faisceaux intriqués en polarisation, ce qui devrait faciliter le transfert de l intrication de la lumière à la matière.
Cette thèse est consacrée à l'étude théorique et expérimentale de différents niveaux de corrélations quantiques en variables continues, mettant en jeu une ou deux quadratures. Dans cet objectif, un oscillateur paramétrique optique de type II, où signal et complémentaire sont émis suivant des polarisations orthogonales, a été développé. Une lame biréfringente introduite à l'intérieur de la cavité induit un couplage des deux modes et permet un fonctionnement dégénéré en fréquence. Un protocole original de préparation conditionnelle d'un état non-classique, de distribution statistique sub-Poissonienne, a été étudié théoriquement et mis en oeuvre expérimentalement. Il repose sur les corrélations d'intensité des faisceaux émis au-dessus du seuil en l'absence de lame. Une compression de 9.5 dB du bruit sur la différence d'intensité a été obtenue. En présence de la lame, les faisceaux émis sont dégénérés en fréquence et en principe intriqués. La dégénérescence a permis la première mesure des anti-corrélations de phase au-dessus du seuil. Malgré un excès de bruit qui reste à expliquer, ce résultat ouvre une voie intéressante pour la génération directe d'états intriqués intenses. L'oscillateur paramétrique optique, avec ou sans lame, peut également fonctionner au-dessous du seuil et générer des faisceaux fortement intriqués. L'intrication obtenue, stable pendant plusieurs heures, est la plus forte observée à ce jour et elle est préservée jusqu'à des fréquences de bruit très basses. En présence de la lame, les propriétés quantiques originales du système sont également détaillées et une opération passive, réalisée à l'aide de lames biréfringentes, est mise en évidence pour optimiser l'intrication. L'action d'opérations passives sur un état à deux modes est discutée théoriquement.
\nNous générons et caractérisons des faisceaux\nintriqués dégénérés en fréquence à\nl'aide d'un dispositif original appelé Oscillateur\nParamétrique Optique à auto-verrouillage de phase. Nous\navons ainsi obtenu des faisceaux intriqués pour lesquels\n”l'inséparabilité" vaut $0.33\n\\pm 0.02$. Nous avons utilisé le formalisme des matrices de\ncovariance pour déterminer la transformation ”non-locale" \nà appliquer à ces faisceaux afin\nd'en extraire le maximum d'intrication.\n
Génération and charactérisation d'états Gaussien et non-Gaussien de la lumière La lumière offre un potentiel immense pour le développement des technologies quantiques modernes grâce à sa résilience intrinsèque aux effets de décohérence. Une approche prometteuse pour utiliser la lumière dans le traitement de l'information quantique repose sur le régime des variables continues, où les observables d'intérêt sont les quadratures du champ électrique. Ces quadratures se sont révélées être une plateforme efficace pour générer des états intriqués de grande envergure (impliquant jusqu'à un million de modes optiques). De plus, cet intriquement peut être créé de manière déterministe et manipulé facilement avec des techniques optiques standard. Cependant, pour atteindre un avantage quantique - c'est-à-dire effectuer des tâches impossibles à simuler efficacement avec un dispositif classique - il faut aller au-delà de l'intrication. L'ingrédient clé réside dans l'introduction de statistiques non gaussiennes dans les mesures des quadratures, en particulier en créant des états quantiques avec une fonction de Wigner négative. Nous avons récemment développé un dispositif de soustraction de photons modulable en mode, conçu pour générer de tels états. Cela nous offre désormais la possibilité de produire de grands états intriqués et de leur conférer des caractéristiques non gaussiennes, ouvrant ainsi de nouvelles perspectives de recherche. De nombreuses questions restent ouvertes concernant les interactions entre intrication et effets non gaussiens, offrant un champ d'exploration vaste et passionnant. L'un des principaux défis consiste à démontrer que les états générés possèdent les spécificités nécessaires pour être applicables aux tâches d'information quantique. En effet, par nature, il est impossible de réaliser une tomographie complète de ces états multimodes non gaussiens, ce qui impose la mise en œuvre de procédures de certification. L'expérience consiste à manipuler les modes spectraux d'un peigne de fréquences pour concevoir des états gaussiens intriqués, puis à utiliser la soustraction de photons via une somme de fréquences dépendante des modes pour induire des caractéristiques non gaussiennes dans ces états. Les systèmes de détection utilisés pour la certification s'appuient sur un schéma de double détection homodyne, et la méthode de certification est appelée protocole d'estimation des valeurs moyennes en double homodyne. De plus, nous avons récemment développé une méthode permettant d'appliquer l'estimation multiparamétrique à nos états gaussiens, ce qui permet d'estimer efficacement les paramètres des états comprimés. Cette méthode exploite toutes les informations disponibles dans nos mesures pour estimer les paramètres avec une meilleure précision que les techniques courantes. Elle peut être utilisée avec une détection homodyne simple ou une détection homodyne double, chaque schéma de détection offrant des avantages selon la pureté de l'état en entrée.
Cette thèse s'attaque à deux problèmes majeurs de l'information quantique: - Comment caractériser efficacement un système quantique? - Comment stocker de l'information quantique? Elle se divise done en deux parties distinctes reliées par des éléments techniques communs. Chacune est toutefois d'un intérêt propre et se suffit à elle-même. Caractérisation pratique des systèmes quantiques. Le calcul quantique exige un très grand contrôle des systèmes quantiques composés de plusieurs particules, par exemple des atomes confinés dans un piège électromagnétique ou des électrons dans un dispositif semi-conducteur. Caractériser un tel système quantique consiste à obtenir de l'information sur l'état grâce à des mesures expérimentales. Or, chaque mesure sur le système quantique le perturbe et doit done être effectuée après avoir repréparé le système de façon identique. L'information recherchée est ensuite reconstruite numériquement à partir de l'ensemble des données expérimentales. Les expériences effectuées jusqu'à présent visaient à reconstruire l'état quantique complet du système, en particulier pour démontrer la capacité de préparer des états intriqués, dans lesquels les particules présentent des corrélations non-locales. Or, la procédure de tomographie utilisée actuellement n'est envisageable que pour des systèmes composés d'un petit nombre de particules. Il est donc urgent de trouver des méthodes de caractérisation pour les systèmes de grande taille. Dans cette thèse, nous proposons deux approches théoriques plus ciblées afin de caractériser un système quantique en n'utilisant qu'un effort expérimental et numérique raisonnable. - La première consiste à estimer la distance entre l'état réalisé en laboratoire et l'état cible que l'expérimentateur voulait préparer. Nous présentons un protocole, dit de certification, demandant moins de ressources que la tomographie et très efficace pour plusieurs classes d'états importantes pour l'informatique quantique. - La seconde approche, dite de tomographie variationnelle, propose de reconstruire l'état en restreignant l'espace de recherche à une classe variationnelle plutôt qu'à l'immense espace des états possibles. Un état variationnel étant décrit par un petit nombre de paramètres, un petit nombre d'expériences peut suffire à identifier les paramètres variationnels de l'état expérimental. Nous montrons que c'est le cas pour deux classes variationnelles très utilisées, les états à produits matriciels (MPS) et l'ansatz pour intrication multi-échelle (MERA). Mémoires quantiques auto-correctrices 2D. Une mémoire quantique auto-correctrice est un système physique préservant de l'information quantique durant une durée de temps macroscopique. Il serait done l'équivalent quantique d'un disque dur ou d'une mémoire flash équipant les ordinateurs actuels. Disposer d'un tel dispositif serait d'un grand interêt pour l'informatique quantique. Une mémoire quantique auto-correctrice est initialisée en préparant un état fondamental, c'est-à-dire un état stationnaire de plus basse énergie. Afin de stocker de l'information quantique, il faut plusieurs états fondamentaux distincts, chacun correspondant à une valeur différente de la mémoire. Plus précisément, l'espace fondamental doit être dégénéré. Dans cette thèse, on s'intéresse à des systèmes de particules disposées sur un réseau bidimensionnel (2D), telles les pièces sur un échiquier, qui sont plus faciles à réalisér que les systèmes 3D. Nous identifions deux critères pour l'auto-correction: - La mémoire quantique doit être stable face aux perturbations provenant de l'environnement, par exemple l'application d'un champ magnétique externe. Ceci nous amène à considérer les systèmes topologiques 2D dont les degrés de liberté sont intrinsèquement robustes aux perturbations locales de l'environnement. - La mémoire quantique doit être robuste face à un environnement thermique. Il faut s'assurer que les excitations thermiques n'amènent pas deux états fondamentaux distincts vers le même état excité, sinon l'information aura été perdue. Notre résultat principal montre qu'aucun système topologique 2D n'est auto-correcteur: l'environnement peut changer l'état fondamental en déplaçant aléatoirement de petits paquets d'énergie, un mécanisme cohérent avec l'intuition que tout système topologique admet des excitations localisées ou quasiparticules. L'intérêt de ce résultat est double. D'une part, il oriente la recherche d'un système auto-correcteur en montrant qu'il doit soit (i) être tridimensionnel, ce qui est difficile à réaliser expérimentalement, soit (ii) être basé sur des mécanismes de protection nouveaux, allant au-delà des considérations énergétiques. D'autre part, ce résultat constitue un premier pas vers la démonstration formelle de l'existence de quasiparticules pour tout système topologique.
Cette thèse se concentre sur les aspects théoriques et expérimentaux de la génération et de la certification d'états quantiques non-Gaussiens multimodes de la lumière dans l'optique à variables continues. En ce qui concerne la génération, nous avons étudié théoriquement les conditions pour une addition monomode et mode sélective de photon unique à un champ de lumière multimode, montrant en particulier sous quelles conditions expérimentales une telle addition est réalisable. Nous soulignons également les défis et les avantages uniques des processus de soustraction et d'addition de photon unique. Ce travail peut ouvrir la voie à la mise en œuvre expérimentale d'une addition de photon unique sur un état multimode de la lumière. Dans l’expérience, nous avons utilisé un oscillateur paramétrique optique pompé de manière synchrone (SPOPO) avec un peigne de fréquences optiques pour générer des états multimodes de vide comprimé. Nous avons ensuite soustrait un photon unique pour produire un état quantique non-Gaussien. La question qui se pose est la suivante : Comment pouvons-nous certifier la non-Gaussianité quantique ? Cette question est particulièrement pertinente dans le contexte de la croissance rapide du domaine de l'information quantique et de la course à la construction d'ordinateurs quantiques. En collaboration avec le laboratoire LiP6, nous avons développé des méthodes de certification théoriques adaptées aux états générés dans notre expérience. Nous avons dérivé un protocole optimisé d'estimation de la fidélité utilisant la détection double homodyne, permettant de certifier des propriétés non-Gaussiennes quantiques telles que le rang stellaire et la négativité de la fonction de Wigner. Sur le plan expérimental, nous avons construit un détecteur double homodyne et nous avons amélioré l’expérience, notamment en améliorant la gestion de la dispersion intra-cavité du SPOPO et l’implementation d'un asservissement de phase optique. Ces avancées renforcent le caractère multimodal de l'expérience et permettent de réaliser des protocoles autrement hors de portée. Combinant ces travaux théoriques et expérimentaux, nous avons obtenu des résultats préliminaires suggérant que nous sommes sur le point de certifier des états monomodes soustraits d’un photon unique, des états de rang stellaire 1. Le potentiel des travaux futurs comprend la réalisation d'un détecteur double homodyne multimode, la mise en œuvre d’une soustraction à deux photons et la certification d'états de rang stellaire 2.