Photons intriqués en milieux désordonnés : des figures de tavelures à deux photons à la décomposition de Schmidt Cette thèse porte sur l'étude de la transmission par diffusion multiple de deux photons intriqués à travers un milieu désordonné. Ce travail théorique fait intervenir deux branches de la physique qui sont l'optique quantique et la physique ondulatoire en milieu aléatoire.Dans le premier chapitre, nous donnons les outils théoriques d'optique quantique nécessaires à la compréhension du travail exposé. Après une présentation de la quantification de la lumière dans un milieu ouvert, nous introduisons les principaux états quantiques de la lumière qui sont utilisés dans cette thèse. Dans un second temps, nous présentons la plus importante propriété des états quantiques étudiés, l'intrication quantique. Après une introduction générale, le concept d'intrication entre particules indistinguables est discuté.Étant donné le caractère aléatoire du milieu dans lequel la lumière se propage, les observables physiques considérées dans cette thèse doivent être étudiées statistiquement. De ce fait, le second chapitre présente une approche statistique de la diffusion de la lumière en milieu aléatoire. Nous considérons dans un premier temps une description microscopique de la diffusion multiple basée sur le formalisme de la fonction de Green. Par la suite, nous nous intéressons à une description macroscopique faisant intervenir la matrice aléatoire de diffusion.Dans le troisième chapitre, nous étudions la figure de tavelures à deux photons qui apparaît dans les mesures de coïncidences. Nous commençons par introduire les principales propriétés de l'état à deux photons considéré et discutons ensuite la cohérence de cet état de la lumière. Par la suite, nous présentons une analyse détaillée de la figure de tavelures obtenue par transmission d'un état à deux photons possédant un spectre fréquentiel large à travers un milieu désordonné. Nous discutons de la possibilité ou non d'observer dans les mesures de coïncidences des signatures du caractère non-classique de la lumière. Finalement, nous calculons la visibilité des figures de tavelures à un et deux photons et montrons comment l'intrication initiale modifie cette visibilité.Pour terminer, nous développons une nouvelle approche théorique permettant de quantifier la quantité moyenne d'intrication de l'état diffusé à travers un milieu aléatoire. En utilisant la théorie des matrices aléatoires, nous dérivons la décomposition de Schmidt de l'état diffusé qui possède une certaine quantité d'intrication. Nous montrons comment la statistique du milieu désordonné influence la densité des valeurs propres de Schmidt et quantifions l'intrication transmise grâce différentes mesures d'intrication telles que l'entropie de von Neumann des valeurs propres de Schmidt et le nombre de Schmidt.
Interaction lumière-atomes : approche de champ moyen et fluctuations d’intensité Dans cette thèse, nous étudions la diffusion cohérente de la lumière se propageant dans un milieu désordonné. Nous nous intéressons à des phénomènes tels que la super- et sousradiance et la localisation d’Anderson qui sont liées aux interférences et au désordre spatial. Cependant, la différence fondamentale entre la sousradiance et la localisation d'Anderson doit encore être clarifiée. Cette thèse donne de nouvelles idées pour la compréhension de ces phénomènes et nous présentons une nouvelle méthode pour observer la localisation d'Anderson. On développe un modèle à champ moyen qui ne contient pas de désordre, et nous montrons que super- et sousradiance ne nécessitent pas de désordre contrairement à la localisation d’Anderson. Dans ce travail théorique, le couplage entre la lumière et les atomes est réduit à une matrice de couplage entre les atomes en calculant la trace sur les degrés de liberté de la lumière, ce qui nous amène à un problème linéaire pour les dipôles atomiques. L'étude des valeurs propres et des modes propres de cette matrice permet de déterminer des modes super- et sousradiant, et de sonder la transition de phase de localisation avec une scaling analysis. De plus, le lien avec l'expérience est fait en montrant que les fluctuations de l’intensité augmentent à travers la transition de localisation. Le système est étudié en régime stationnaire, quand le milieu est continûment chargé par un laser et que celui-ci atteint l’équilibre, et en dynamique, quand le laser est éteint et que le milieu se décharge de l’énergie stockée. Enfin, nous présentons un travail préliminaire qui montre que le désordre diagonal peut être une bonne stratégie pour atteindre la localisation d’Anderson.
Les travaux effectués au cours de cette thèse ont pour trait commun l'observation dans l'espace des vitesses de phénomènes liés à la diffusion et à la localisation d'ondes de matière en milieu désordonné. Nous commençons par introduire les deux domaines à la croisée desquels cette thèse s'inscrit. Nous abordons en premier lieu la physique du désordre et de la propagation en milieu complexe en décrivant de façon générale les phénomènes de diffusion et de localisation tels que la rétro-diffusion cohérente ou la localisation d'Anderson. En second lieu, nous développons l'aspect expérimental de ces travaux au travers de l'outil au cœur des recherches de notre équipe : les atomes froids, manipulés et contrôlés dans le but de créer une onde de matière cohérente analogue à une onde plane. L'optique étant une facette primordiale de nos travaux, nous proposons par la suite une étude complète du système expérimental à l'origine de notre milieu désordonné, appelé champ de tavelures (ou speckle en anglais). Ces étapes préliminaires nous permettent ainsi d'introduire les recherches effectuées par notre équipe. Un paramètre élémentaire de la diffusion, le temps élastique de diffusion, est mesuré expérimentalement de façon détaillée, pour un champ de tavelures attractif et répulsif. Un phénomène de localisation faible visible dans l'espace des vitesses, la rétro-diffusion cohérente, observée pour la première fois avec des atomes froids, est ensuite présenté. Son prolongement, la résurgence de rétro-diffusion cohérente, étudiée par notre équipe, est basée sur la manipulation d'une propriété primordiale pour la propagation cohérente en milieu désordonné : la symétrie par renversement du temps. Enfin, nous proposons une étude préliminaire d'un marqueur inédit dans l'espace des vitesses de la localisation d'Anderson : la diffusion cohérente avant.