Soustracteur de photons uniques pour états quantiques multimode dans le domaine spectral Dans le cadre de cette thèse, nous avons construit et caractérisé un soustracteur de photons uniques pour l'ingénierie d'états quantiques de la lumière. Le but étant de réaliser une soustraction de photon pure et spectralement sélective sur une ressource multimode dans le domaine spectral. Ce soustracteur repose sur une interaction paramétrique de somme de fréquence entre un faisceau signal et un faisceau de contrôle au sein d'un milieu non-linéaire. Le spectre du faisceau de contrôle est mis en forme à l'aide d'un procédé de mise en forme d'impulsion. Le photon convertit est filtré et détecté grâce à détecteur de photon unique. Le soustracteur est donc la combinaison de tous ces éléments successifs. Nous avons développé un cadre théorique décrivant la soustraction multimode de photons uniques et montré qu'elle peut être décrite, peu importe l'implémentation, par une matrice de soustraction dans une base de modes. Grâce à ce formalisme, nous avons montré que le processus pouvait être caractérisé sans mesurer le signal transformé mais simplement en lui substituant un faisceau sonde dont les impulsions sont aussi mises en forme. Nous avons réalisé une tomographie du processus au niveau du photon unique pour une large gamme de faisceaux de contrôle différents. Nos résultats sont correctement décrits par la théorie développée et démontre la pureté du processus ainsi que l'agilité de la technique employée.
Soustracteur de photons uniques pour états quantiques multimode dans le domaine spectral Dans le cadre de cette thèse, nous avons construit et caractérisé un soustracteur de photons uniques pour l'ingénierie d'états quantiques de la lumière. Le but étant de réaliser une soustraction de photon pure et spectralement sélective sur une ressource multimode dans le domaine spectral. Ce soustracteur repose sur une interaction paramétrique de somme de fréquence entre un faisceau signal et un faisceau de contrôle au sein d'un milieu non-linéaire. Le spectre du faisceau de contrôle est mis en forme à l'aide d'un procédé de mise en forme d'impulsion. Le photon convertit est filtré et détecté grâce à détecteur de photon unique. Le soustracteur est donc la combinaison de tous ces éléments successifs. Nous avons développé un cadre théorique décrivant la soustraction multimode de photons uniques et montré qu'elle peut être décrite, peu importe l'implémentation, par une matrice de soustraction dans une base de modes. Grâce à ce formalisme, nous avons montré que le processus pouvait être caractérisé sans mesurer le signal transformé mais simplement en lui substituant un faisceau sonde dont les impulsions sont aussi mises en forme. Nous avons réalisé une tomographie du processus au niveau du photon unique pour une large gamme de faisceaux de contrôle différents. Nos résultats sont correctement décrits par la théorie développée et démontre la pureté du processus ainsi que l'agilité de la technique employée.
Cette thèse a pour ambition de préparer des états de la lumière dotés de caractéristiques nouvelles et désirables en utilisant les propriétés des peignes de fréquences appliquées à l'optique quantique multimode. Un des avantages de l'optique femtoseconde vient du caractère hautement multimode des peignes de fréquence, qui permet notamment de créer du vide comprimé multimode. La répartition des ressources quantiques entre ces différents modes étant d'importance, nous avons étudié une manière de la contrôler grâce à une mise en forme spectrale du faisceau de pompe de l'oscillateur paramétrique optique. Nous montrons qu'une détection homodyne multipixel est un outil d'analyse indispensable. Pour une répartition modale donnée, il est possible de modifier l'état quantique qui la peuple. Une modification désirable est la dégaussification de la fonction de Wigner, que nous implémentons au moyen d'une soustraction de photon. Outre la possibilité de dégaussifier l'état dans un mode, notre dispositif permet également de soustraire un photon dans une superposition cohérente de supermodes, ce qui est nouveau. De plus, nous pouvons choisir librement le mode dans lequel la soustraction a lieu. Cette versatilité permet de créer de nouveaux types d'états, par exemple lorsque l'on soustrait dans les nœuds d'un canevas quantique (aussi appelé état cluster). En particulier, nous pouvons créer des états présentant de l'intrication inhérente entre les modes, c'est-à-dire une intrication qui ne peut pas être défaite par changement de base.
Cette thèse a pour ambition de préparer des états de la lumière dotés de caractéristiques nouvelles et désirables en utilisant les propriétés des peignes de fréquences appliquées à l'optique quantique multimode. Un des avantages de l'optique femtoseconde vient du caractère hautement multimode des peignes de fréquence, qui permet notamment de créer du vide comprimé multimode. La répartition des ressources quantiques entre ces différents modes étant d'importance, nous avons étudié une manière de la contrôler grâce à une mise en forme spectrale du faisceau de pompe de l'oscillateur paramétrique optique. Nous montrons qu'une détection homodyne multipixel est un outil d'analyse indispensable. Pour une répartition modale donnée, il est possible de modifier l'état quantique qui la peuple. Une modification désirable est la dégaussification de la fonction de Wigner, que nous implémentons au moyen d'une soustraction de photon. Outre la possibilité de dégaussifier l'état dans un mode, notre dispositif permet également de soustraire un photon dans une superposition cohérente de supermodes, ce qui est nouveau. De plus, nous pouvons choisir librement le mode dans lequel la soustraction a lieu. Cette versatilité permet de créer de nouveaux types d'états, par exemple lorsque l'on soustrait dans les nœuds d'un canevas quantique (aussi appelé état cluster). En particulier, nous pouvons créer des états présentant de l'intrication inhérente entre les modes, c'est-à-dire une intrication qui ne peut pas être défaite par changement de base.
Génération et manipulation de photons uniques avec boîtes quantiques semi-conductrices 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.
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.
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.
Cette thèse étudie l’optique quantique multimode, aussi bien du point de vue de la génération que celui de la détection. Elle s’articule autour de trois volets. Nous étudions la génération de lumière comprimée multimode dans une cavité. Pour cela nous considérons la forme la plus générale de hamiltonien quadratique, permettant entre autres de décrire l’utilisation de plusieurs pompes dans un matériau effectuant du mélange à quatre ondes. Une approche combinant fonctions de Green et décompositions de matrices symplectiques est décrite. Cette théorie générique est appliquée à des cas particuliers. Dans un premier temps, des exemples en basse dimension sont donnés. Ensuite, une configuration d’oscillateur paramétrique optique pompé de manière synchrone (SPOPO) est décrite et étudiée ; les résultats obtenus montrent que ce système a un comportement très différent de celui du SPOPO utilisant une non-linéarité d’ordre 2. Ces travaux ouvrent la voie à la réalisation de peignes de fréquences quantiques avec des micro-résonateurs en anneau gravés sur silicium. Un autre problème examiné est celui de prendre en compte l’information temporelle obtenue lors du clic d’un détecteur de photon unique. Pour cela nous utilisons un formalisme multimodal temporel afin d’expliciter les opérateurs décrivant la mesure. Les principaux défauts des détecteurs réels, dont la gigue temporelle, l’efficacité finie et les coups d’obscurité sont pris en compte. L’utilisation des opérateurs est illustrée par la description d’expériences usuelles de l’optique quantique. Enfin, on montre que la lecture du temps de clic du détecteur permet d’améliorer la qualité de l’état généré par une source de photons annoncés. En troisième partie nous présentons un schéma de génération d’intrication hybride entre variables continues et discrètes, pour laquelle la partie discrète est encodée temporellement. Ce schéma est analysé en détail vis-à-vis de sa résistance aux imperfections expérimentales.