Nous présentons une étude expérimentale des fluctuations statistiques d’un champ photonique afin de sonder leur dépendance géométrique universelle. Le but ultime de cette étude est d’identifier des lois d’échelle universelles décrivant la distribution statistique de corrélations entre modes spatiaux de photons intriqués. De telles lois sont essentielles pour mieux comprendre les limites fondamentales des techniques modernes d’imagerie quantique. En utilisant la conversion paramétrique descendante spontanée, nous générons des paires de photons intriqués et préparons des états comprimés du vide. Grâce à une imagerie à haute sensibilité de ces faisceaux jumeaux, nous mesurons des corrélations spatiales en dessous de la limite du bruit de grenaille, afin d’explorer la dépendance angulaire de la variance des différences de nombre de photons dans des sous-régions du plan de détection. Nos résultats ouvrent la voie à la vérification des prédictions théoriques concernant l’universalité des lois d’échelle des fluctuations, en particulier les termes sous-dominants associés à la géométrie angulaire des régions d’observation. Le montage expérimental combine des lasers opérant en mode continu et pulsé, couplés à des capteurs CCD et CMOS. Les meilleurs résultats ont été obtenus à l’aide d’un laser pulsé à asservissement de phase femtoseconde et d’une caméra CCD. À l’aide de ce montage, nous avons pu observer explicitement la conservation de l’impulsion entre photons jumeaux, validant ainsi la méthodologie pour des expériences futures. Des résultats préliminaires sont également rapportés pour le cristal non linéaire LiNb1−xTaxO3, pertinent pour la photonique quantique intégrée. Ce travail illustre le potentiel de l’imagerie quantique pour révéler des propriétés fondamentales des fluctuations de champ quantique au-delà des limites classiques.
Nous présentons une étude expérimentale des fluctuations statistiques d’un champ photonique afin de sonder leur dépendance géométrique universelle. Le but ultime de cette étude est d’identifier des lois d’échelle universelles décrivant la distribution statistique de corrélations entre modes spatiaux de photons intriqués. De telles lois sont essentielles pour mieux comprendre les limites fondamentales des techniques modernes d’imagerie quantique. En utilisant la conversion paramétrique descendante spontanée, nous générons des paires de photons intriqués et préparons des états comprimés du vide. Grâce à une imagerie à haute sensibilité de ces faisceaux jumeaux, nous mesurons des corrélations spatiales en dessous de la limite du bruit de grenaille, afin d’explorer la dépendance angulaire de la variance des différences de nombre de photons dans des sous-régions du plan de détection. Nos résultats ouvrent la voie à la vérification des prédictions théoriques concernant l’universalité des lois d’échelle des fluctuations, en particulier les termes sous-dominants associés à la géométrie angulaire des régions d’observation. Le montage expérimental combine des lasers opérant en mode continu et pulsé, couplés à des capteurs CCD et CMOS. Les meilleurs résultats ont été obtenus à l’aide d’un laser pulsé à asservissement de phase femtoseconde et d’une caméra CCD. À l’aide de ce montage, nous avons pu observer explicitement la conservation de l’impulsion entre photons jumeaux, validant ainsi la méthodologie pour des expériences futures. Des résultats préliminaires sont également rapportés pour le cristal non linéaire LiNb1−xTaxO3, pertinent pour la photonique quantique intégrée. Ce travail illustre le potentiel de l’imagerie quantique pour révéler des propriétés fondamentales des fluctuations de champ quantique au-delà des limites classiques.
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.
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.
Ce mémoire de thèse décrit une expérience de création de paires d’atomes jumeaux par mélange à quatre ondes en présence d’un réseau optique. Ces atomes jumeaux sont analogues aux photons jumeaux obtenus par conversion paramétrique, lesquels ont été employés dans plusieurs expériences fondamentales d’optique quantique, ainsi que pour des applications en interférométrie et en information quantique. En raison de la relation de dispersion, l’accord de phase peut être obtenu quand les atomes se déplacent dans le réseau optique. Le mélange à quatre ondes qui se produit alors spontanément constitue un cas particulier d’instabilité dynamique. Nous avons réalisé cette expérience à partir d’un gaz dégénéré d’hélium métastable, obtenu dans un piège optique très allongé. On a superposé aux atomes un réseau optique en mouvement, qui est également décrit dans ce mémoire. Au moyen d’un détecteur d’atomes uniques résolu à trois dimensions, nous avons caractérisé le mélange à quatre ondes obtenu. Nous avons étudié les conditions d’accord de phase de ce processus, et les différents modes peuplés, montrant que la méthode que nous employons permet de diffuser préférentiellement les atomes dans deux fines classes de vitesse, que l’on peut ajuster et dont on contrôle les populations. Cette flexibilité facilitera l’utilisation des paires d’atomes pour des expériences futures. Au niveau de chacune de ces deux classes de vitesses, nous avons mesuré une corrélation de type Hanbury Brown et Twiss. Par ailleurs, nous avons démontré une réduction des fluctuations de la différence de population entre les deux classes sous le bruit de grenaille. La coexistence de ces deux effets témoigne du caractère non-classique des paires générées, qui pourront être exploitées pour des expériences d’optique atomique quantique, comme par exemple pour observer l’effet Hong-Ou-Mandel sur des atomes.
Ce mémoire de thèse décrit une expérience de création de paires d’atomes jumeaux par mélange à quatre ondes en présence d’un réseau optique. Ces atomes jumeaux sont analogues aux photons jumeaux obtenus par conversion paramétrique, lesquels ont été employés dans plusieurs expériences fondamentales d’optique quantique, ainsi que pour des applications en interférométrie et en information quantique. En raison de la relation de dispersion, l’accord de phase peut être obtenu quand les atomes se déplacent dans le réseau optique. Le mélange à quatre ondes qui se produit alors spontanément constitue un cas particulier d’instabilité dynamique. Nous avons réalisé cette expérience à partir d’un gaz dégénéré d’hélium métastable, obtenu dans un piège optique très allongé. On a superposé aux atomes un réseau optique en mouvement, qui est également décrit dans ce mémoire. Au moyen d’un détecteur d’atomes uniques résolu à trois dimensions, nous avons caractérisé le mélange à quatre ondes obtenu. Nous avons étudié les conditions d’accord de phase de ce processus, et les différents modes peuplés, montrant que la méthode que nous employons permet de diffuser préférentiellement les atomes dans deux fines classes de vitesse, que l’on peut ajuster et dont on contrôle les populations. Cette flexibilité facilitera l’utilisation des paires d’atomes pour des expériences futures. Au niveau de chacune de ces deux classes de vitesses, nous avons mesuré une corrélation de type Hanbury Brown et Twiss. Par ailleurs, nous avons démontré une réduction des fluctuations de la différence de population entre les deux classes sous le bruit de grenaille. La coexistence de ces deux effets témoigne du caractère non-classique des paires générées, qui pourront être exploitées pour des expériences d’optique atomique quantique, comme par exemple pour observer l’effet Hong-Ou-Mandel sur des atomes.
Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre du développement des technologies quantiques en général et dans le cadre du développement d'une plateforme photonique en variables continues en particulier. Le développement d'une telle plateforme nécessite la réalisation de sources efficaces d'états non classiques de la lumière. Ce travail de thèse se concentre principalement sur le développement d'une architecture particulière pour une telle source. Cette dernière génère des états non classiques de la lumière à l'aide d'une mémoire quantique, de manière itérative, en réalisant à chaque étape une mesure projective sur un état intriqué produit à partir d'un état stocké en mémoire et d'un état ressource interagissant sur une lame séparatrice. Nous utilisons comme états ressources des photons uniques annoncés produits par fluorescence paramétrique. Dans un premier temps, nous cherchons à générer des états « Chat de Schrödinger pair » à partir d'un photon provenant de la source de photons uniques, et d'un photon stocké en mémoire, provenant initialement de la même source. Une première preuve de principe a été publiée au début de cette thèse. Une fois ces résultats obtenus, un travail théorique d'optimisation des modes d'émission de la source de photons uniques a été conduit. Parallèlement, des travaux expérimentaux de stabilisation et d'asservissement de l'expérience, ainsi qu'une optimisation du contrôle électronique du montage ont été réalisés. Grâce à cette version plus aboutie de l'expérience, de nouveaux résultats ont été obtenus et publiés au cours de la thèse. Ces nouveaux résultats présentent une meilleure fidélité et un taux de génération dix fois supérieur comparés aux résultats publiés en début de thèse. Au-delà des nouveaux résultats, les améliorations du dispositif expérimental mises en place nous ouvrent la voie vers la génération d'états plus complexes. Cette thèse propose donc des protocoles de génération d'états « Chat de Schrödinger impair ». Des résultats préliminaires de la mise en œuvre de ces protocoles sont présentés en fin de ce manuscrit.
Depuis les années 2010, l'étude du phénomène d'interférence à deux photons en présence d'un milieu diffusant a connu un progrès significatif. Cette thèse d'inscrit dans cette dynamique à travers l'étude des corrélations quantiques spatiales entre des paires de photons intriqués de haute dimensionnalité générées par l'émission paramétrique spontanée et détectées à l'aide de caméras EMCCD. Dans ce manuscrit, nous présentons le principe de la génération des paires de photons intriqués et la méthode de mesure expérimentale des corrélations quantiques spatiales entre ces photons. Ensuite, nous introduisons un modèle numérique de la fonction d'onde du biphoton permettant de simuler la propagation des paires de photons intriqués à travers un milieu diffusant mince et épais et nous présentons les résultats expérimentaux correspondant. Dans le cas d'un diffuseur mince, nous démontrons que la distribution de la fonction de corrélation quantique en champ lointain décrit un speckle si le faisceau pompe est suffisamment large dans le plan du cristal, tandis qu'en champ proche, le contraste du speckle de corrélation est réduit. Dans le cas d'un diffuseur épais, nous démontrons que la fonction de corrélation décrit, dans les deux espaces, une structure granulaire avec un faible contraste. Enfin, en utilisant un SLM nous démontrons d'une part qu'à travers une méthode itérative, il est possible de focaliser un faisceau cohérent sur une cible situé derrière un diffuseur avec les mêmes performances que la méthode basée sur la matrice de transmission du diffuseur. D'autre part,en absence de diffuseur, nous démontrons expérimentalement qu'il est possible de manipuler les corrélations quantiques spatiales entre les paires de photons intriqués. En présence d'un diffuseur nous démontrons numériquement qu'il est possible de focaliser les corrélations quantiques spatiales sur une cible située derrière le milieu diffusant.