Le travail effectué dans cette thèse utilise les paires de photons intriqués comme ressource de base pour la mesure de la phase optique de systèmes interférométriques. En effet, ces paires possèdent des propriétés dites non-locales leur permettant d'accroître à la fois la sensibilité et la résolution de la mesure comparée à une expérience utilisant de la lumière classique. Dans ce manuscrit, nous verrons comment ces paires peuvent être générées et leurs propriétés exploitées pour mesurer les caractéristiques optiques des matériaux, en particulier leurs propriétés dispersives. Pour cela, plusieurs approches seront utilisées. Dans un premier temps, nous verrons comment cette mesure peut être effectuée sur un interféromètre non stabilisé en s'appuyant sur la relation liant la visibilité des franges d'interférences à deux photons à la dispersion chromatique. Dans un second temps, on montrera que les interféromètres non-linéaires, couplés à une approche spectrale, permet d'effectuer une mesure de la dispersion chromatique dont la précision dépasse d'un ordre de grandeur les mesures à l'état de l'art. Par la suite, nous verrons comment le régime impulsionnel généralise l'interférométrie en régime continu et permet la mesure de la dispersion chromatique sur une plage spectrale équivalente à deux fois la largeur fréquentielle du faisceau de pompe. Enfin, on appliquera les notions développées sur l'interférométrie non-linéaire au régime impulsionnel pour l'ingénierie d'états quantiques nécessaires aux domaines de l'information et du calcul quantique.
Le travail effectué dans cette thèse utilise les paires de photons intriqués comme ressource de base pour la mesure de la phase optique de systèmes interférométriques. En effet, ces paires possèdent des propriétés dites non-locales leur permettant d'accroître à la fois la sensibilité et la résolution de la mesure comparée à une expérience utilisant de la lumière classique. Dans ce manuscrit, nous verrons comment ces paires peuvent être générées et leurs propriétés exploitées pour mesurer les caractéristiques optiques des matériaux, en particulier leurs propriétés dispersives. Pour cela, plusieurs approches seront utilisées. Dans un premier temps, nous verrons comment cette mesure peut être effectuée sur un interféromètre non stabilisé en s'appuyant sur la relation liant la visibilité des franges d'interférences à deux photons à la dispersion chromatique. Dans un second temps, on montrera que les interféromètres non-linéaires, couplés à une approche spectrale, permet d'effectuer une mesure de la dispersion chromatique dont la précision dépasse d'un ordre de grandeur les mesures à l'état de l'art. Par la suite, nous verrons comment le régime impulsionnel généralise l'interférométrie en régime continu et permet la mesure de la dispersion chromatique sur une plage spectrale équivalente à deux fois la largeur fréquentielle du faisceau de pompe. Enfin, on appliquera les notions développées sur l'interférométrie non-linéaire au régime impulsionnel pour l'ingénierie d'états quantiques nécessaires aux domaines de l'information et du calcul quantique.
Le travail effectué dans cette thèse utilise les paires de photons intriqués comme ressource de base pour la mesure de la phase optique de systèmes interférométriques. En effet, ces paires possèdent des propriétés dites non-locales leur permettant d'accroître à la fois la sensibilité et la résolution de la mesure comparée à une expérience utilisant de la lumière classique. Dans ce manuscrit, nous verrons comment ces paires peuvent être générées et leurs propriétés exploitées pour mesurer les caractéristiques optiques des matériaux, en particulier leurs propriétés dispersives. Pour cela, plusieurs approches seront utilisées. Dans un premier temps, nous verrons comment cette mesure peut être effectuée sur un interféromètre non stabilisé en s'appuyant sur la relation liant la visibilité des franges d'interférences à deux photons à la dispersion chromatique. Dans un second temps, on montrera que les interféromètres non-linéaires, couplés à une approche spectrale, permet d'effectuer une mesure de la dispersion chromatique dont la précision dépasse d'un ordre de grandeur les mesures à l'état de l'art. Par la suite, nous verrons comment le régime impulsionnel généralise l'interférométrie en régime continu et permet la mesure de la dispersion chromatique sur une plage spectrale équivalente à deux fois la largeur fréquentielle du faisceau de pompe. Enfin, on appliquera les notions développées sur l'interférométrie non-linéaire au régime impulsionnel pour l'ingénierie d'états quantiques nécessaires aux domaines de l'information et du calcul quantique.
Le concept d’interférométrie quantique en lumière blanche est introduit et appliqué à la mesure de dispersion chromatique avec une précision inégalée.Dans cette présentation, nous introduirons d’abord le concept de l’interférométrie quantique en lumière blanche avec un état N00N à deux photons (N = 2). Nous montrerons que la phase optique peut être déduite de la mesure d’un interférogramme dans le domaine spectral. Hormis le doublage de la sensibilité en phase, nous montrerons également que l’interférométrie quantique apporte plusieurs avantages importants qui dépassent les capacités de l’interférométrie en lumière blanche standard. Par exemple, la version quantique ne nécessite pas que l’interféromètre soit équilibré, permettant ainsi des séries de me- sures avec des échantillons possédant diverses épaisseurs et/ou propriétés optiques. Par ailleurs, pour les mesures de la dispersion chromatique, le traitement des données est considérablement simplifié. Ceci est rendu possible grâce à l’intrication en énergie-temps portée par les paires de photons qui induit l’annulation automatique du terme (parasite) de la dispersion au troisième ordre. L’exploitation de ces avantages nous a permis d’effectuer une mesure de la dispersion chromatique dans une fibre optique standard (longueur de 1 m) avec une précision qui dépasse l’état de l’art par un facteur 2.6, bien que nous utilisions ∼ 20 fois moins de photons en moyenne sur la fenêtre spectrale d’observation, par rapport aux meilleurs réalisations classiques. La combinaison des avantages fondamentaux (sensibilité en phase doublée) et conceptuels (pas de nécessité d’équilibrer l’interféromètre, traitement de données simplifié, moins de photons nécessaires) permet d’effectuer les mesures dans des temps comparables à ceux des appareils classiques. Notre approche représente ainsi une méthode très intéressante pour les applications de la métrologie quantique en dehors du laboratoire.
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.
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.
Mesure et Feedback quantique pour états Photonique fortement non classique Ces dernières années, les progrès réalisés dans le contrôle de l'interaction lumière-matière au niveau quantique ont conduit à de nombreuses avancées en optique quantique, en particulier dans l'étude de phénomènes quantiques fondamentaux, dans la conception de systèmes quantiques artificiels et dans les applications en information quantique. Il a notamment été possible d'augmenter considérablement l'intensité de l'interaction lumière-matière et de contrôler le couplage de systèmes quantiques à leur environnement, afin d'obtenir des états non conventionnels et fortement non classiques. Cependant, pour exploiter ces états quantiques en vue d'applications technologiques, il est crucial de pouvoir mesurer et contrôler ces systèmes avec précision. Dans ce contexte, ce travail de thèse est consacré à l'étude de nouveaux protocoles pour la mesure et le contrôle de systèmes quantiques dans lesquels des fortes interactions et des symétries particuliers conduisent à la génération d'états fortement non classiques. Nous nous intéressons dans un premier temps au régime de couplage ultra-fort de l'électrodynamique quantique en cavité (et de circuit). Plus précisément, l'état de fondamental n'est plus le vide standard, car il devient énergiquement favorable qu'il contienne des photons.Dans ce régime on peut même obtenir des chat de Schrödinger comme état fondamental.En revanche, pour assurer la conservation de l'énergie, les photons contenus dans ce vide exotique sont liés à la cavité et ne peuvent pas s'échapper dans l'environnement. Cela signifie qu'ils ne peuvent être mesurés par simple photodétection. Nous proposons dans ce travail un protocole spécialement conçu pour surmonter cette difficulté. Nous montrons qu'il est possible de déduire les propriétés photoniques de l'état fondamental à partir du déplacement de Lamb d'un système à deux niveaux auxiliaire.Les résonateurs optiques à paires de photons constituent une autre classe de systèmes dans lesquels la symétrie de parité conduit à des états quantiques non conventionnels. Grâce à "l'ingénierie de réservoir", il est aujourd'hui possible de contrôler l'interaction d'un système avec son environnement, de façon à le stabiliser dans des états quantiques particulièrement intéressants. En particulier, quand un résonateur (une cavité optique) est couplé à l'environnement par échange de paires de photons, il est possible de créer de chats de Schrödinger optiques dans la dynamique transitoire du système. Les corrélations quantiques de ces états sont par contre rapidement perdues en raison de la présence inévitable de dissipation à un photon. Protéger le système contre cette perturbation est le but du protocole de feedback basé sur la parité que nous présentons dans cette thèse
La manipulation du front d'onde lumineux a été initialement développée pour corriger les aberrations atmosphériques et permettre une imagerie nette des objets astronomiques. Inspirées par ces avancées, les techniques de mise en forme du front d'onde basées sur des modulateurs spatiaux de lumière ont depuis été adaptées pour étudier la propagation de la lumière dans des environnements très complexes, tels que les milieux désordonnés. Cela a permis de réaliser des progrès significatifs dans la compréhension du transport de la lumière, d'étendre les capacités d'imagerie dans des conditions réelles et même d'ouvrir de nouvelles perspectives pour le calcul optique. Si ces avancées sont longtemps restées confinées au domaine de l'optique classique, l'essor des technologies quantiques repousse désormais les limites du façonnage du front d'onde vers le régime quantique. Les états quantiques de la lumière, notamment les paires de photons intriqués, les états comprimés et les photons uniques, offrent des avantages uniques pour la mesure de précision, la communication sécurisée et l'étude des fondements de la mécanique quantique. Le défi central ne consiste plus seulement à contrôler le profil spatial ou temporel de la lumière, mais aussi à préserver et à manipuler ses propriétés quantiques, telles que l'intrication, tout en traversant des environnements complexes. Relever ce défi est essentiel pour permettre la communication, l'imagerie et le calcul quantiques en conditions réelles. Cette thèse aborde cette problématique en étudiant la propagation des états intriqués à deux photons à travers des systèmes complexes tels que des fibres multimodes ou des couches minces diffusantes. Dans un premier temps, il est montré que la méthode classique de correction du front d'onde, fondée sur la mesure de la matrice de transmission et nécessitant un faisceau laser externe, peut être utilisées pour caractériser et compenser les perturbations introduites par le milieu, permettant ainsi de préserver l'intrication spatiale après la transmission. Par la suite, en combinant les capacités de détection multimode des caméras sensible aux photons uniques, ainsi qu'un modèle théorique décrivant les interférences à deux photons au sein du milieu, j'ai développé un algorithme d'optimisation par rétroaction utilisant les coïncidences spatiales. Cette méthode supprime la nécessité d'un faisceau classique auxiliaire pour corriger les effets de diffusion sur les paires de photons. En parallèle, j'ai étudié la transmission d'états intriqués par polarisation à travers une fibre multimode. Dans ce cas, nous montrons que la certification de l'intrication peut être obtenue sans correction active de la diffusion. La fibre met en œuvre de manière passive la mesure projective pour violer une inégalité de Bell à la sortie. Ensemble, ces résultats établissent de nouveaux outils expérimentaux pour l'utilisation des états quantiques intriqués dans des milieux complexes. Ils contribuent à ouvrir la voie à l'intégration de l'optique quantique dans des environnements réalistes et désordonnés, où les effets de diffusion sont inévitables, et participent ainsi au développement de futures applications en communication, imagerie et information.