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.
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.
La recherche d'une meilleure compréhension de la nature est une quête éternelle pour les physiciens. Si la théorie quantique prédit la plupart des résultats expérimentaux obtenus à ce jour, son interprétation reste controversée. Au cours du siècle dernier, cela a maintenu occupés les scientifiques du monde entier, conduisant à deux théorèmes fondamentaux en information quantique : le théorème de Bell et le théorème de Kochen-Specker. D'une part, le théorème de Bell prouve que toute théorie doit être non locale et d'autre part, le théorème de Kochen-Specker examine la contextualité, une notion similaire à la non-localité sous d'autres hypothèses. La contextualité est très prometteuse et au cœur de nombreux avantages quantiques, tels que l'accélération du calcul et la communication restreinte. Cependant, fournir une vérification expérimentale convaincante de la contextualité reste complexe, car les tests sont sujets à des imperfections, appelées failles, qui affaiblissent l'argument logique. On peut citer la faille de précision finie : toute mesure réaliste est intrinsèquement bruyante ou la faille de compatibilité, où deux mesures consécutives ne sont pas mesurables conjointement. De plus, la contextualité apparaît dans divers cas, notamment dans des scénarios séquentiels où les mesures sont effectuées en séquence sur le même système. Dans ce cas, la notion de contextualité existante devient obsolète, et les hypothèses doivent être adaptées. Afin de mieux appréhender la contextualité, nous proposons deux cadres. Tout d'abord, nous assouplissons le déterminisme et l'indépendance des paramètres, qui constituent les hypothèses fondamentales de la contextualité définie par Kochen et Specker. Nous élaborons un cadre pour traiter les écarts par rapport à ces hypothèses, ce qui permet de définir une nouvelle notion de contextualité adaptée aux imperfections expérimentales. Cette notion de contextualité s'exprime par une limite sur la fraction contextuelle (une mesure de la contextualité) dont nous prouvons la continuité. Nous introduisons également la fraction de signalisation. Enfin, nous démontrons comment ce cadre peut s'appliquer à des données expérimentales avec quelques exemples. Le deuxième cadre que nous présentons concerne les scénarios séquentiels, dans lesquels les dispositifs sont placés l'un après l'autre. À la différence des scénarios de mesure standards, chaque dispositif interagit avec le système et le perturbe. C'est pourquoi, dans ce cadre, nous formalisons les caractéristiques et la contextualité des scénarios séquentiels. Aussi, nous relions la non-contextualité des scénarios séquentiels à des hypothèses physiques, de la même manière que Kochen et Specker. Sous certaines conditions, nous établissons une correspondance entre les scénarios séquentiels et les scénarios de mesure qui préserve la non-contextualité. La contextualité une caractéristique propre à la théorie quantique. Mais pour être sûr de son intérêt, il faut s'assurer de la véracité de la théorie quantique. C'est dans cette optique que le théorème de Pusey, Barrett et Rudolph (PBR) a montré que, sous des hypothèses raisonnables, chaque état pur de la théorie quantique est un élément distinct de la réalité. Ainsi, nous menons une étude préliminaire du théorème PBR et lui fournissons une structure. Ce travail se concentre également sur un élément central du théorème, la notion de chevauchement. À partir de cette notion, nous parvenons à de nouvelles définitions et à une nouvelle compréhension du chevauchement. Cette étude ouvre la voie à d'autres directions de recherche à partir du théorème PBR. Enfin, nous complétons cette thèse par un paquet Python open source, disponible sur GitHub et PyPi. L'objectif de ce paquet est de fournir un outil accessible à tous et toutes dans le domaine de la contextualité. Nous présentons donc son utilisation et son utilité au travers d'exemples et de documentation.
Caractérisation et détection de phénomènes d’intrication hybride et de contextualité L’intrication et la contextualité font partie des propriétés les plus profondes et les plus déroutantes de la mécanique quantique. L’intrication se rapporte aux états : c’est un phénomène par lequel la connaissance de l’ensemble des sous-parties d’un système ne suffit pas à le caractériser dans son intégralité. La contextualité concerne les observables : il s’agit de leur propension à donner des résultats différents en fonction des autres observables avec lesquels ils sont mesurés. A la faveur de la « seconde révolution quantique », qui vit l’attitude des physiciens envers ces deux propriétés passer d’un questionnement sur leur raison d’être à l’étude des avantages qu’il est possible d’en tirer, elles se retrouvèrent toutes deux au coeur de nombreux travaux de recherche. Dans cette thèse, on présente des protocoles pour détecter et caractériser l’intrication et la contextualité dans des montages expérimentaux particuliers. Ce travail se conçoit donc comme un chaînon entre l’étude théorique générale et la réalisation expérimentale. L’intrication est étudiée dans le cadre des variables hybrides photoniques, une approche récente qui combine les avantages des variables discrètes et continues pour coder de l’information. Les applications concernent la communication quantique et le calcul quantique. Nous étudions dans un premier chapitre le formalisme des matrices de moments, que nous adaptons au cas hybride, et nous l’appliquons à plusieurs états hybrides intriqués.De multiples améliorations de la détection sont implémentées, notamment à l’aide de fonctions PnCPs. Dans un second chapitre, nous définissons un témoin d’intrication, implémentable et adapté à un montage particulier. Ce témoin reste efficace en cas de pertes expérimentales typiques et se fonde sur des mesures d’observables hybrides. Enfin, nous étudions la contextualité dans une dernière partie. Nous passons en revue l’histoire du concept, depuis les questionnements philosophiques qui l’engendrèrent jusqu’aux premières preuves mathématiques de l’inscription de cette propriété dans le formalisme de la physique quantique. Nous présentons ensuite les quatre théories majeures portant sur la contextualité. Nous utilisons leurs différentes approches pour comprendre et analyser les échappatoires qui apparaissent dès lors que l’on essaie de mettre en évidence expérimentalement la présence de contextualité. Nous donnons finalement un protocole pour une expérience classique de contextualité, celle qui est dite « du carré de Peres-Mermin ».
Cette thèse porte sur la manipulation d états non-classiques de la lumière, en vue d applications à l information quantique. Nous montrons que les outils théoriques et expérimentaux propres à une approche discrète, où la lumière est décrite comme un ensemble de photons, peuvent être efficacement combinés avec une approche continue, où l on s intéresse aux quadratures de l onde électromagnétique. On peut ainsi créer, transformer et analyser des états quantiques complexes. Nous avons préparé des impulsions lumineuses ultrabrèves dans des états "chat de Schrödinger" (superpositions quantiques d'états cohérents). Le champ électromagnétique de l'onde lumineuse n est alors plus décrit par une statistique classique, mais par une fonction de Wigner prenant des valeurs négatives. Grâce à une reconstruction par tomographie homodyne, nous avons réalisé la première observation expérimentale de cette négativité pour de petits chatons de Schrödinger en propagation libre. Nous avons ensuite développé et démontré expérimentalement un protocole permettant de préparer des chats de Schrödinger optiques de taille arbitraire et d'ouvrir la voie vers de multiples applications en information quantique. Nous avons également montré que la soustraction conditionnelle de photons permettait d augmenter l intrication d'états gaussiens. Avec cette approche, nous avons intriqué deux impulsions séparées et indépendantes, en utilisant un canal quantique de fortes pertes. On peut ainsi préparer, entre deux sites éloignés, des états fortement intriqués à fonction de Wigner négative, élément essentiel pour la distillation d intrication et les communications quantiques à grande distance.
Extension des cadres de contextualité : du bruit à la séquentialité La recherche d'une meilleure compréhension de la nature est une quête éternelle pour les physiciens. Si la théorie quantique prédit la plupart des résultats expérimentaux obtenus à ce jour, son interprétation reste controversée. Au cours du siècle dernier, cela a maintenu occupés les scientifiques du monde entier, conduisant à deux théorèmes fondamentaux en information quantique : le théorème de Bell et le théorème de Kochen-Specker. D'une part, le théorème de Bell prouve que toute théorie doit être non locale et d'autre part, le théorème de Kochen-Specker examine la contextualité, une notion similaire à la non-localité sous d'autres hypothèses. La contextualité est très prometteuse et au cœur de nombreux avantages quantiques, tels que l'accélération du calcul et la communication restreinte. Cependant, fournir une vérification expérimentale convaincante de la contextualité reste complexe, car les tests sont sujets à des imperfections, appelées failles, qui affaiblissent l'argument logique. On peut citer la faille de précision finie : toute mesure réaliste est intrinsèquement bruyante ou la faille de compatibilité, où deux mesures consécutives ne sont pas mesurables conjointement. De plus, la contextualité apparaît dans divers cas, notamment dans des scénarios séquentiels où les mesures sont effectuées en séquence sur le même système. Dans ce cas, la notion de contextualité existante devient obsolète, et les hypothèses doivent être adaptées. Afin de mieux appréhender la contextualité, nous proposons deux cadres. Tout d'abord, nous assouplissons le déterminisme et l'indépendance des paramètres, qui constituent les hypothèses fondamentales de la contextualité définie par Kochen et Specker. Nous élaborons un cadre pour traiter les écarts par rapport à ces hypothèses, ce qui permet de définir une nouvelle notion de contextualité adaptée aux imperfections expérimentales. Cette notion de contextualité s'exprime par une limite sur la fraction contextuelle (une mesure de la contextualité) dont nous prouvons la continuité. Nous introduisons également la fraction de signalisation. Enfin, nous démontrons comment ce cadre peut s'appliquer à des données expérimentales avec quelques exemples. Le deuxième cadre que nous présentons concerne les scénarios séquentiels, dans lesquels les dispositifs sont placés l'un après l'autre. À la différence des scénarios de mesure standards, chaque dispositif interagit avec le système et le perturbe. C'est pourquoi, dans ce cadre, nous formalisons les caractéristiques et la contextualité des scénarios séquentiels. Aussi, nous relions la non-contextualité des scénarios séquentiels à des hypothèses physiques, de la même manière que Kochen et Specker. Sous certaines conditions, nous établissons une correspondance entre les scénarios séquentiels et les scénarios de mesure qui préserve la non-contextualité. La contextualité une caractéristique propre à la théorie quantique. Mais pour être sûr de son intérêt, il faut s'assurer de la véracité de la théorie quantique. C'est dans cette optique que le théorème de Pusey, Barrett et Rudolph (PBR) a montré que, sous des hypothèses raisonnables, chaque état pur de la théorie quantique est un élément distinct de la réalité. Ainsi, nous menons une étude préliminaire du théorème PBR et lui fournissons une structure. Ce travail se concentre également sur un élément central du théorème, la notion de chevauchement. À partir de cette notion, nous parvenons à de nouvelles définitions et à une nouvelle compréhension du chevauchement. Cette étude ouvre la voie à d'autres directions de recherche à partir du théorème PBR. Enfin, nous complétons cette thèse par un paquet Python open source, disponible sur GitHub et PyPi. L'objectif de ce paquet est de fournir un outil accessible à tous et toutes dans le domaine de la contextualité. Nous présentons donc son utilisation et son utilité au travers d'exemples et de documentation.
Cette thèse porte sur la manipulation d'états non-classiques de la lumière, et leurs applications à l'information quantique. Nous montrons que les outils propres à une description discrète, où la lumière est considérée comme un ensemble de photons, peuvent être efficacement combinés avec une approche continue, où l'on s'intéresse aux quadratures de l'onde électromagnétique, pour créer, transformer et analyser des états quantiques complexes. Nous avons ainsi préparé des impulsions lumineuses ultrabrèves dans des états “chat de Schrödinger” (superpositions quantiques d'états cohérents). Le champ électromagnétique de l'onde lumineuse n'est alors plus décrit par une distribution statistique classique, mais par une fonction de Wigner prenant des valeurs négatives. Grâce à une reconstruction par tomographie homodyne, nous avons réalisé la première observation expérimentale de cette négativité pour de petits “chatons de Schrödinger” en propagation libre. Nous avons ensuite développé et démontré expérimentalement un protocole permettant de préparer des “chats de Schrödinger” optiques de taille arbitraire et d'ouvrir la voie vers de multiples applications en information quantique. Nous avons également montré que la soustraction conditionnelle de photons permettait d'augmenter l'intrication d'états gaussiens. Avec cette approche, nous avons intriqué deux impulsions séparées et indépendantes, en utilisant un canal quantique de fortes pertes. On peut ainsi préparer, entre deux sites éloignés, des états fortement intriqués à fonction de Wigner négative, élément essentiel pour la distillation d'intrication et les communications quantiques à grande distance.
Contextualité et non-localité dans les systèmes décrits par des variables continues La mécanique quantique présente des propriétés étonnantes qui n'ont pas d'équivalent en physique classique. Ces propriétés sont au cœur des applications possibles de la mécanique quantique. Le thème principal de cette thèse est l'étude de deux des propriétés fondamentales de la mécanique quantique: la non-localité et la contextualité. Dans ce cadre, nous poursuivrons deux objectifs: premièrement, nous étudierons comment certains résultats obtenus pour les systèmes discrets peuvent être étendus aux systèmes décrits par des variables continues; deuxièmement nous étudierons comment il est possible de tester ces deux propriétés dans les systèmes quantiques décrits par des variables continues.Dans une première partie, nous étudions l'ensemble des distributions de probabilités locales et ``no-signaling'', c'est à dire qui ne permettent pas de transmettre d'information. Nous commençons par traduire le problème en terme de contraintes sur des espaces de mesures de probabilité. Nous introduisons ensuite un ensemble de mesures de probabilité qui sont les analogues en variables continues des probabilités découvertes par Popescu et Rohrlich dans le cas discret. Enfin, nous caractérisons l'ensemble des mesures de probabilité ``no-signaling''. Plus précisément, nous montrons que les mesures introduites sont des points extrémaux de l'ensemble des mesures de probabilité ``no-signaling'' et que leur enveloppe convexe est dense dans l'ensemble des mesures de probabilité ``no-signaling''. Dans une seconde partie nous nous intéressons à une preuve de la contextualité de la mécanique quantique dans une formulation qui ne dépend pas de l'état. Plus particulièrement, concernant l'inégalité de non-contextualité de Peres-Mermin, nous montrons qu'il est possible de la généraliser pour des observables définies sur des espaces de Hilbert de dimension arbitraire, voire infinie. Cette généralisation nous permet d'identifier les propriétés communes des observables qui conduisent à une violation maximale de l'inégalité de Peres-Mermin.En dernier lieu, nous nous intéressons à des états intriqués du champ électromagnétique de deux cavités. Ces états sont non-locaux et violent une inégalité de Bell formée de mesures de la parité déplacée. Nous étudions comment ces états peuvent être préparés et mesurés expérimentalement. Enfin, nous analysons l'effet des imperfections expérimentales et des pertes