Le travail effectué dans cette thèse utilise les paires de photons intriqués comme ressource de base pour la mesure de la phase optique de systèmes interférométriques. En effet, ces paires possèdent des propriétés dites non-locales leur permettant d'accroître à la fois la sensibilité et la résolution de la mesure comparée à une expérience utilisant de la lumière classique. Dans ce manuscrit, nous verrons comment ces paires peuvent être générées et leurs propriétés exploitées pour mesurer les caractéristiques optiques des matériaux, en particulier leurs propriétés dispersives. Pour cela, plusieurs approches seront utilisées. Dans un premier temps, nous verrons comment cette mesure peut être effectuée sur un interféromètre non stabilisé en s'appuyant sur la relation liant la visibilité des franges d'interférences à deux photons à la dispersion chromatique. Dans un second temps, on montrera que les interféromètres non-linéaires, couplés à une approche spectrale, permet d'effectuer une mesure de la dispersion chromatique dont la précision dépasse d'un ordre de grandeur les mesures à l'état de l'art. Par la suite, nous verrons comment le régime impulsionnel généralise l'interférométrie en régime continu et permet la mesure de la dispersion chromatique sur une plage spectrale équivalente à deux fois la largeur fréquentielle du faisceau de pompe. Enfin, on appliquera les notions développées sur l'interférométrie non-linéaire au régime impulsionnel pour l'ingénierie d'états quantiques nécessaires aux domaines de l'information et du calcul quantique.
Le travail effectué dans cette thèse utilise les paires de photons intriqués comme ressource de base pour la mesure de la phase optique de systèmes interférométriques. En effet, ces paires possèdent des propriétés dites non-locales leur permettant d'accroître à la fois la sensibilité et la résolution de la mesure comparée à une expérience utilisant de la lumière classique. Dans ce manuscrit, nous verrons comment ces paires peuvent être générées et leurs propriétés exploitées pour mesurer les caractéristiques optiques des matériaux, en particulier leurs propriétés dispersives. Pour cela, plusieurs approches seront utilisées. Dans un premier temps, nous verrons comment cette mesure peut être effectuée sur un interféromètre non stabilisé en s'appuyant sur la relation liant la visibilité des franges d'interférences à deux photons à la dispersion chromatique. Dans un second temps, on montrera que les interféromètres non-linéaires, couplés à une approche spectrale, permet d'effectuer une mesure de la dispersion chromatique dont la précision dépasse d'un ordre de grandeur les mesures à l'état de l'art. Par la suite, nous verrons comment le régime impulsionnel généralise l'interférométrie en régime continu et permet la mesure de la dispersion chromatique sur une plage spectrale équivalente à deux fois la largeur fréquentielle du faisceau de pompe. Enfin, on appliquera les notions développées sur l'interférométrie non-linéaire au régime impulsionnel pour l'ingénierie d'états quantiques nécessaires aux domaines de l'information et du calcul quantique.
Le travail effectué dans cette thèse utilise les paires de photons intriqués comme ressource de base pour la mesure de la phase optique de systèmes interférométriques. En effet, ces paires possèdent des propriétés dites non-locales leur permettant d'accroître à la fois la sensibilité et la résolution de la mesure comparée à une expérience utilisant de la lumière classique. Dans ce manuscrit, nous verrons comment ces paires peuvent être générées et leurs propriétés exploitées pour mesurer les caractéristiques optiques des matériaux, en particulier leurs propriétés dispersives. Pour cela, plusieurs approches seront utilisées. Dans un premier temps, nous verrons comment cette mesure peut être effectuée sur un interféromètre non stabilisé en s'appuyant sur la relation liant la visibilité des franges d'interférences à deux photons à la dispersion chromatique. Dans un second temps, on montrera que les interféromètres non-linéaires, couplés à une approche spectrale, permet d'effectuer une mesure de la dispersion chromatique dont la précision dépasse d'un ordre de grandeur les mesures à l'état de l'art. Par la suite, nous verrons comment le régime impulsionnel généralise l'interférométrie en régime continu et permet la mesure de la dispersion chromatique sur une plage spectrale équivalente à deux fois la largeur fréquentielle du faisceau de pompe. Enfin, on appliquera les notions développées sur l'interférométrie non-linéaire au régime impulsionnel pour l'ingénierie d'états quantiques nécessaires aux domaines de l'information et du calcul quantique.
Le concept d’interférométrie quantique en lumière blanche est introduit et appliqué à la mesure de dispersion chromatique avec une précision inégalée.Dans cette présentation, nous introduirons d’abord le concept de l’interférométrie quantique en lumière blanche avec un état N00N à deux photons (N = 2). Nous montrerons que la phase optique peut être déduite de la mesure d’un interférogramme dans le domaine spectral. Hormis le doublage de la sensibilité en phase, nous montrerons également que l’interférométrie quantique apporte plusieurs avantages importants qui dépassent les capacités de l’interférométrie en lumière blanche standard. Par exemple, la version quantique ne nécessite pas que l’interféromètre soit équilibré, permettant ainsi des séries de me- sures avec des échantillons possédant diverses épaisseurs et/ou propriétés optiques. Par ailleurs, pour les mesures de la dispersion chromatique, le traitement des données est considérablement simplifié. Ceci est rendu possible grâce à l’intrication en énergie-temps portée par les paires de photons qui induit l’annulation automatique du terme (parasite) de la dispersion au troisième ordre. L’exploitation de ces avantages nous a permis d’effectuer une mesure de la dispersion chromatique dans une fibre optique standard (longueur de 1 m) avec une précision qui dépasse l’état de l’art par un facteur 2.6, bien que nous utilisions ∼ 20 fois moins de photons en moyenne sur la fenêtre spectrale d’observation, par rapport aux meilleurs réalisations classiques. La combinaison des avantages fondamentaux (sensibilité en phase doublée) et conceptuels (pas de nécessité d’équilibrer l’interféromètre, traitement de données simplifié, moins de photons nécessaires) permet d’effectuer les mesures dans des temps comparables à ceux des appareils classiques. Notre approche représente ainsi une méthode très intéressante pour les applications de la métrologie quantique en dehors du laboratoire.
En photonique quantique, les paires de photons intriqués constituent une ressource fondamentale, à la fois pour l'étude des fondements de la mécanique quantique et pour des applications émergentes telles que l'informatique quantique, les communications sécurisées, l'imagerie et la détection. En pratique, ces paires peuvent être générées de manière fiable par conversion paramétrique spontanée dans un cristal non linéaire. Les propriétés de ces photons sont alors déterminées par le type et la géométrie du cristal, ainsi que par les caractéristiques du faisceau de pompe. Le contrôle de ces propriétés s'avère crucial pour de nombreuses applications. Dans cette thèse, nous montrons comment les corrélations spatiales des paires de photons intriqués peuvent être structurées en images d'amplitude et de phase arbitraires en modulant l'illumination du cristal. L'image d'un objet réel peut ainsi être efficacement encodée dans les corrélations des paires, tout en demeurant invisible pour les mesures d'intensité conventionnelles. Cette technique établit ainsi une nouvelle approche de l'imagerie optique, dans laquelle les informations de l'objet sont portées par les corrélations entre les photons plutôt que par l'intensité ou la phase des champs optiques, comme dans les méthodes classiques. Nous utilisons cette technique pour proposer un nouveau paradigme d'imagerie à travers les milieux diffusants, lesquels perturbent fortement la propagation de la lumière et rendent l'imagerie classique inefficace. Les approches classiques - telles que l'inversion computationnelle ou le contrôle de front d'onde - permettent, en principe, de compenser la diffusion, mais elles se révèlent en pratique très sensibles au bruit et aux pertes, et n'offrent qu'un contrôle limité des modes. À l'inverse, notre approche exploite une propriété fondamentale de l'intrication quantique : la préservation des corrélations entre photons sur plusieurs bases de mesure. En modulant le désordre optique engendré par un milieu diffusant, les images encodées dans les corrélations quantiques peuvent être reconstruites par détection de coïncidences, sans jamais inverser le processus de diffusion. Ce travail démontre la possibilité d'encoder, de détecter et de transmettre des informations à haute dimension à l'aide de corrélations quantiques, ouvrant ainsi de nouvelles perspectives pour la communication et l'imagerie quantiques.
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.
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.
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.