Avantages quantiques en variable continue et applications en optique quantique La physique quantique a apporté une révolution conceptuelle quant à la nature de notre monde et apporte aujourd’hui une révolution technologique. En effet, l’utilisation de l’information quantique promet des applications surclassant les machines actuelles, dites classiques. La théorie de l’information quantique en variable continue porte sur l’étude des possibilités qu’offre l’encodage de l’information dans des degrés de liberté continus de systèmes quantiques. Mathématiquement, cette théorie étend l’étude de l'information quantique aux états quantiques dans des espaces de Hilbert de dimension infinie. Elle offre des perspectives différentes de l’information quantique en variable discrète et est notamment adaptée à la description des états quantiques de lumière. L’optique quantique est ainsi une plateforme expérimentale naturelle pour développer des applications quantiques en variable continue. La thèse s’articule autour de trois questions principales : d’où provient l’avantage quantique, c est-à-dire la capacité des machines quantiques à surclasser les machines classiques ? Comment s assurer du bon fonctionnement d une machine quantique ? Quels avantages peut-on tirer de l'utilisation de l’information quantique ? Ces trois questions sont au cœur du développement des technologies quantiques, et nous y apportons plusieurs réponses dans le cadre de la théorie de l’information quantique en variable continue et de l’optique quantique linéaire.
Avantages quantiques en variable continue et applications en optique quantique La physique quantique a apporté une révolution conceptuelle quant à la nature de notre monde et apporte aujourd’hui une révolution technologique. En effet, l’utilisation de l’information quantique promet des applications surclassant les machines actuelles, dites classiques. La théorie de l’information quantique en variable continue porte sur l’étude des possibilités qu’offre l’encodage de l’information dans des degrés de liberté continus de systèmes quantiques. Mathématiquement, cette théorie étend l’étude de l'information quantique aux états quantiques dans des espaces de Hilbert de dimension infinie. Elle offre des perspectives différentes de l’information quantique en variable discrète et est notamment adaptée à la description des états quantiques de lumière. L’optique quantique est ainsi une plateforme expérimentale naturelle pour développer des applications quantiques en variable continue. La thèse s’articule autour de trois questions principales : d’où provient l’avantage quantique, c est-à-dire la capacité des machines quantiques à surclasser les machines classiques ? Comment s assurer du bon fonctionnement d une machine quantique ? Quels avantages peut-on tirer de l'utilisation de l’information quantique ? Ces trois questions sont au cœur du développement des technologies quantiques, et nous y apportons plusieurs réponses dans le cadre de la théorie de l’information quantique en variable continue et de l’optique quantique linéaire.
La physique quantique a apporté une révolution conceptuelle quant à la nature de notre monde et apporte aujourd’hui une révolution technologique. En effet, l’utilisation de l’information quantique promet des applications surclassant les machines actuelles, dites classiques. La théorie de l’information quantique en variable continue porte sur l’étude des possibilités qu’offre l’encodage de l’information dans des degrés de liberté continus de systèmes quantiques. Mathématiquement, cette théorie étend l’étude de l'information quantique aux états quantiques dans des espaces de Hilbert de dimension infinie. Elle offre des perspectives différentes de l’information quantique en variable discrète et est notamment adaptée à la description des états quantiques de lumière. L’optique quantique est ainsi une plateforme expérimentale naturelle pour développer des applications quantiques en variable continue. La thèse s’articule autour de trois questions principales : d’où provient l’avantage quantique, c est-à-dire la capacité des machines quantiques à surclasser les machines classiques ? Comment s assurer du bon fonctionnement d une machine quantique ? Quels avantages peut-on tirer de l'utilisation de l’information quantique ? Ces trois questions sont au cœur du développement des technologies quantiques, et nous y apportons plusieurs réponses dans le cadre de la théorie de l’information quantique en variable continue et de l’optique quantique linéaire.
Variables modulaires en information quantique L’information quantique peut être traitée de deux manières fondamentalement différentes: à l’aide de variables discrètes ou continues. Dans cette thèse, nous étudions de manière théorique la réalisation de protocoles d’information quantique dans les systèmes caractérisés par des variables continues. Pour ce faire, nous utilisons les variables modulaires comme outil afin de révéler des structures discrètes dans les états, opérations et observables. Le présent travail est fortement motivé par l’applicabilité expérimentale de nos idées dans des expériences d’optique quantique. Le thème principal de cette thèse est la formulation d’un cadre pour le traitement quantique de l’information dans l’espace des phases grâce aux variables modulaires. L’usage des variables modulaires permet d’encoder des états logique dans des espaces de Hilbert de dimension infinie et de définir des opérations qui permettent de les manipuler. En particulier, nous considérons des protocoles qui impliquent des mesures de variables modulaires qui permettent la lecture d’information discrète codée dans des variables continues. Grâce à ce formalisme, nous montrons comment il est possible de réaliser des tests des propriétés fondamentales de la mécanique quantique comme l’intrication, la non-localité ou la contextualité dans des espaces de Hilbert de dimensions finie ou infinie. Ensuite, nous discutons pourquoi les degrés de liberté transverse des photons sont des candidats naturels pour l’implémentation expérimentale des variables modulaires. À cet effet, nous démontrons comment il est possible d’utiliser l’effet Talbot - un effet d’interférence de champ proche - afin d’encoder de l’information discrète dans la distribution spatiales des photons. Finalement, nous montrons pour la première fois comment produire des photons intriqués de dimension arbitraire de manière déterministe en utilisant la conversion paramétrique et des éléments d’optique linéaire.
L’information quantique peut être traitée de deux manières fondamentalement différentes: à l’aide de variables discrètes ou continues. Dans cette thèse, nous étudions de manière théorique la réalisation de protocoles d’information quantique dans les systèmes caractérisés par des variables continues. Pour ce faire, nous utilisons les variables modulaires comme outil afin de révéler des structures discrètes dans les états, opérations et observables. Le présent travail est fortement motivé par l’applicabilité expérimentale de nos idées dans des expériences d’optique quantique. Le thème principal de cette thèse est la formulation d’un cadre pour le traitement quantique de l’information dans l’espace des phases grâce aux variables modulaires. L’usage des variables modulaires permet d’encoder des états logique dans des espaces de Hilbert de dimension infinie et de définir des opérations qui permettent de les manipuler. En particulier, nous considérons des protocoles qui impliquent des mesures de variables modulaires qui permettent la lecture d’information discrète codée dans des variables continues. Grâce à ce formalisme, nous montrons comment il est possible de réaliser des tests des propriétés fondamentales de la mécanique quantique comme l’intrication, la non-localité ou la contextualité dans des espaces de Hilbert de dimensions finie ou infinie. Ensuite, nous discutons pourquoi les degrés de liberté transverse des photons sont des candidats naturels pour l’implémentation expérimentale des variables modulaires. À cet effet, nous démontrons comment il est possible d’utiliser l’effet Talbot - un effet d’interférence de champ proche - afin d’encoder de l’information discrète dans la distribution spatiales des photons. Finalement, nous montrons pour la première fois comment produire des photons intriqués de dimension arbitraire de manière déterministe en utilisant la conversion paramétrique et des éléments d’optique linéaire.
Cette thèse s inscrit dans le cadre de l information quantique avec des variables continues, en utilisant des états quantiques du champ électromagnétique. En combinant les outils propres aux variables discrètes, ou la lumière est décrite en termes de photons, avec les outils des variables continues, où la lumière est décrite en termes de quadratures, nous pouvons étudier théoriquement et produire expérimentalement des états non-classiques, ainsi que des protocoles élémentaires d information quantique. Ainsi, nous avons produit expérimentalement un état chat de Schrödinger , superposition quantique de deux états lumineux quasi-classiques, sur lequel nous avons appliqué une porte quantique introduisant une phase dans la superposition. Nous avons ensuite analysé la qualité de cette porte en utilisant un modèle simple de notre expérience. Nous nous sommes ensuite intéressés aux corrélations quantiques, mesurées par la discorde quantique, pour une classe d états particulièrement importants en information quantique. Nous avons quantifié la précision de nos mesures en les comparant aux bornes de Cramér-Rao classique et quantique. Enfin, nous avons étudié théoriquement l utilisation d un amplificateur quantique non-déterministe en cryptographie quantique. Cet amplificateur possède la propriété de pouvoir amplifier des états quantiques sans en amplifier le bruit quantique associé. Ainsi, nous avons montré qu il permet une amélioration de la distance maximale de transmission d une clé secrète, ainsi qu une amélioration de la résistance au bruit introduit par le canal quantique.
Réseaux quantiques complexes pour protocoles de machine learning Les technologies quantiques photoniques offrent un grand potentiel pour répondre au besoin de traitement rapide et efficace des données classiques et quantiques. Le régime des variables continues (CV) est l'une des principales approches utilisées pour décrire les systèmes quantiques ou effectuer des calculs quantiques en optique quantique, en particulier dans le contexte de l'information quantique. Le reservoir computing (RC) quantique est une approche émergente qui a démontré son potentiel dans les tâches d'apprentissage automatique classiques et quantiques. Dans l'approche CV, l'information est codée dans la quadrature du champ. Il a été démontré que, dans le régime CV, les états gaussiens permettent un reservoir computing universel, et que les ressources gaussiennes quantiques, telles que les états comprimés de la lumière, offrent une plus grande capacité computationnelle que les états classiques. L'objectif de ce doctorat est la mise en œuvre expérimentale d'états quantiques multimodes en régime CV et leur application dans des protocoles de reservoir computing, encodés en régime CV.L'activité expérimentale comprend trois étapes principales : la mise en œuvre d'un protocole classique de reservoir computing basé sur la photonique, la caractérisation d'une source d'états comprimés en simple passage et l'encodage de données classiques dans un système quantique multimode afin d'exécuter des protocoles quantiques. Le protocole RC classique est mis en œuvre en encodant des informations dans la phase d'impulsions laser femtosecondes et en les utilisant comme nœuds du réservoir. Après une détection homodyne, les valeurs des nœuds sont à la fois stockées pour l'apprentissage et réinjectées dans le réservoir. Cela nous permet d'effectuer des prédictions sur des tâches non linéaires et dépendantes du temps. La deuxième expérience concerne la mise en œuvre d'une source d'états comprimés en simple passage. De tels systèmes peuvent générer, de manière déterministe, des corrélations d'intrication entre les quadratures du champ électromagnétique dans de multiples modes spectraux-temporels. Une caractéristique clé de notre approche est l'utilisation de guides d'ondes non linéaires pour obtenir une non-linéarité suffisante dans une configuration en simple passage, ce qui nous permet de préserver la structure d'intrication dans la base de l'impulsion laser. La ressource générée sera utilisée pour des protocoles de machine learning à base d'états quantiques. La dernière expérience consiste à encoder des données classiques dans les variables continues d'un système quantique multimode via la modulation de phase du faisceau de pompe utilisé dans le processus de génération d'états comprimés.
Relation entre contextualité quantique et négativité de la fonction de Wigner La physique quantique a révolutionné notre façon de concevoir la nature et provoque une nouvelle révolution technologique. L'utilisation de l'information quantique dans la technologie promet de supplanter les dispositifs dits classiques utilisés de nos jours. Il est essentiel de comprendre quelles caractéristiques sont intrinsèquement non classiques pour atteindre des performances supérieures à celles des dispositifs actuels. Cette thèse se concentre sur deux comportements non classiques : la contextualité quantique et la négativité de Wigner. Jusqu'à présent, la contextualité a surtout été étudiée dans des scénarios à variables discrètes, où les observables prennent des valeurs dans des ensembles discrets et généralement finis. Il a été démontré que la contextualité est nécessaire et suffisante pour les avantages dans certains cas. D'autre part, la négativité de la fonction de Wigner est une autre caractéristique non classique troublante des états quantiques qui provient de la formulation de l'espace de phase en optique quantique. La négativité de la fonction de Wigner est connue pour être une ressource nécessaire à l'accélération quantique. Nous établissons un cadre robuste pour traiter la contextualité dans les variables continues. Nous quantifions la contextualité dans de tels scénarios en utilisant des outils de la théorie de l'optimisation en dimension infinie. Nous montrons que la négativité de Wigner est équivalente à la contextualité dans les variables continues pour les mesures de Pauli. Nous introduisons ensuite des témoins expérimentaux pour la négativité de Wigner des états quantiques multimodes, basés sur les fidélités avec les états de Fock.