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.
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.
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.
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.
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.
Ce mémoire de thèse est consacré à l'étude théorique et expérimentale d'oscillateurs paramétriques optiques (OPO) multimodes dans deux régimes: l'optique des images et l'optique des impulsions. On rappelle les outils utilisés habituellement pour décrire et manipuler les états non-classiques de la lumière, en insistant sur l'importance du concept de mode du champ dans sa description quantique, qu'il soit transverse ou longitudinal. On rappelle ensuite les techniques de manipulation des modes transverse (images) et des modes longitudinaux (impulsions) au niveau théorique et expérimental. L'accent est mis sur le rapprochement de ces deux domaines où l'on peut facilement identifier un grand nombre de variables similaires. Un modèle général des OPO multimodes est développé, s'appuyant sur un traitement multimode de la conversion paramétrique dans un cristal non-linéaire d'ordre deux. Ce modèle conduit à des états non-classiques multimodes, intéressants pour l'information quantique, et peut être appliqué aux cas d'un OPO dans une cavité dégénérée pour les modes transverses, et d'un OPO pompé en modes synchrones (SPOPO). Tous ces développements théoriques s'orientent vers plusieurs expériences d'optique multimode décrites dans ce manuscrit. La première est une étude de la transmission et le doublage de fréquence d'images dans une cavité auto-imageante. Deux expériences d'imagerie quantique sont ensuite décrites: l'une conduit à une réduction de bruit multimode dans un OPO au dessus du seuil et la seconde utilise un OPO dans une cavité auto-imageante et permet la production et la caractérisation d'un état trimode sous le seuil de l'OPO. Enfin, on décrit la mise en place expérimentale d'un SPOPO qui conduit à des premiers résultats de réduction de bruit sur un peigne de fréquence.
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.
Le travail présenté dans cette thèse est principalement divisé en deux parties. Une première partie expérimentale dans laquelle des réalisations basées sur des solutions d’optique guidée et d’optique intégrée à une longueur d’onde télécom sont mises en oeuvre dans les régimes continu et pulsé. La motivation derrière cette partie est de développer des solutions et techniques expérimentales permettant des implémentations de protocoles de communication quantique sur le terrain. La deuxième partie consiste en l’étude théorique de la génération d’états quantiques non gaussiens de haute qualité et de haute amplitude avec des ressources relativement raisonnables. Dans la partie expérimentale, trois réalisations sont présentées. La première consiste à générer des états de type chat de Schrödinger en régime continu à une longueur d’onde télécom utilisant une approche d’optique guidée basée sur des composants fibrés disponibles sur le marché. Une deuxième réalisation consiste en la conception et la caractérisation expérimentale d’une source SPDC guidée pour la génération d’états quantiques discrets et continus de haute qualité ainsi que l’intrication hybride. Enfin, le troisième travail expérimental concerne les premières caractérisations des résonateurs de type micro-anneaux en nitrure de silicium à faible perte et à haut facteur de qualité pour la génération d’intrication multimode dans un peigne de fréquence. Ces implémentations expérimentales sont menées dans le but d’évoluer vers des applications de protocoles de communication quantique hors laboratoire. D’autre part, deux études théoriques sont menées dans la deuxième partie. Dans un premier temps, nous développons un cadre théorique pour décrire l’opération de soustraction de photons à partir d’un état quantique multimode. En appliquant ce cadre au cas de la production d’états de type chat de Schrödinger, nous montrons que des états non gaussiens de haute qualité peuvent être obtenus avec des solutions simples et non sélectives de mode dans le régime multimode. Ensuite, nous proposons un nouveau protocole pour la génération d’état non gaussien de haute amplitude basé sur les capacités de multiplexage offertes par les sources photoniques, réduisant considérablement la complexité et augmentant les performances par rapport aux protocoles itératifs déjà existants.