Ce travail s'inscrit dans la continuité de recherches menées précédemment à Thales et au Laboratoire Kastler Brossel. L'idée principale est d'améliorer la sensibilité de détection en convertissant par somme de fréquences les images infrarouges en images visibles, pour lesquelles les détecteurs sont plus performants. Deux axes de recherches sont approfondis dans ce manuscrit. Le premier concerne l'étude d'un imageur à somme de fréquences propice à la conversion d'un grand nombre de modes spatiaux, le but étant d'obtenir en sortie du système des images fidèles et détaillées d'un objet cible, par exemple utiles pour des applications d'imagerie active pour la défense. Le deuxième axe concerne l'estimation de la séparation entre deux points sources incohérents en utilisant la somme de fréquences. Il a été récemment montré que la mesure en intensité des coefficients de projection sur une base de modes spatiaux bien choisie permet d'obtenir des précisions optimales, bien meilleures en comparaison à l'imagerie directe. Ce défi est courant en astronomie, par exemple quand il s'agit d'imager des systèmes d'étoiles binaires. Pour répondre à ces deux objectifs, l'étude de l'impact du profil transverse du laser de pompe est exploitée. Un modèle numérique permet de concevoir, de caractériser et d'optimiser les architectures de ces systèmes, notamment grâce au calcul du nombre de Schmidt. Cela a permis de mettre en place deux séries d'expériences. L'une exploite les effets de l'utilisation d'un faisceau de pompe flat-top pour l'imagerie multimode, cohérente et incohérente. L'autre s'appuie sur un faisceau de pompe mis en forme sur la base de Hermite-Gauss pour la projection du champ incident sur la même base spatiale. Le principe de cette dernière expérience est repris ensuite pour estimer expérimentalement la séparation de deux points sources incohérents 30 fois en dessous du critère de Rayleigh.
Ce travail s'inscrit dans la continuité de recherches menées précédemment à Thales et au Laboratoire Kastler Brossel. L'idée principale est d'améliorer la sensibilité de détection en convertissant par somme de fréquences les images infrarouges en images visibles, pour lesquelles les détecteurs sont plus performants. Deux axes de recherches sont approfondis dans ce manuscrit. Le premier concerne l'étude d'un imageur à somme de fréquences propice à la conversion d'un grand nombre de modes spatiaux, le but étant d'obtenir en sortie du système des images fidèles et détaillées d'un objet cible, par exemple utiles pour des applications d'imagerie active pour la défense. Le deuxième axe concerne l'estimation de la séparation entre deux points sources incohérents en utilisant la somme de fréquences. Il a été récemment montré que la mesure en intensité des coefficients de projection sur une base de modes spatiaux bien choisie permet d'obtenir des précisions optimales, bien meilleures en comparaison à l'imagerie directe. Ce défi est courant en astronomie, par exemple quand il s'agit d'imager des systèmes d'étoiles binaires. Pour répondre à ces deux objectifs, l'étude de l'impact du profil transverse du laser de pompe est exploitée. Un modèle numérique permet de concevoir, de caractériser et d'optimiser les architectures de ces systèmes, notamment grâce au calcul du nombre de Schmidt. Cela a permis de mettre en place deux séries d'expériences. L'une exploite les effets de l'utilisation d'un faisceau de pompe flat-top pour l'imagerie multimode, cohérente et incohérente. L'autre s'appuie sur un faisceau de pompe mis en forme sur la base de Hermite-Gauss pour la projection du champ incident sur la même base spatiale. Le principe de cette dernière expérience est repris ensuite pour estimer expérimentalement la séparation de deux points sources incohérents 30 fois en dessous du critère de Rayleigh.
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.
Nous étudions les propriétés quantiques des images optiques. Sur le plan théorique, nous nous plaçons dans le plan transverse du champ électromagnétique pour définir des observables les plus proches possibles de ce que mesurent les détecteurs en optique. Nous montrons alors la nécessité d'une approche multimode transverse pour la description des images. Nous élaborons une méthode de calcul des fluctuations en tout point du plan transverse d'un nombre quelconque de champs après leur interaction avec un cristal non linéaire. Nous appliquons ces principes pour définir les limites de résolution dans les images optiques imposées par la mécanique quantique. Nous appliquons le cas particulier du champ bimode aux mesures de positions d'un faisceau effectuées par un détecteur à deux zones. Nous montrons alors, à la fois théoriquement et expérimentalement, que le choix adéquat de deux modes non classiques permet de faire des mesures de déplacement en dessous de la limite quantique standard. D'un autre côté, nous appliquons la méthode de calcul des fluctuations au cas particulier du soliton spatial, système permettant de s'affranchir de la diffraction. On montre que, même si elle ne modifie pas le champ moyen, la diffraction est responsable de la diffusion des propriétés quantiques, qui se retrouvent alors dans les fonctions de corrélations entre deux points transverses. Finalement, nous décrivons une expérience réalisée avec un oscillateur paramétrique optique dégénéré transversalement, qui permet de faire osciller pour une même longueur de cavité un grand nombre de modes transverses. La présence d'un cristal non linéaire d'ordre deux permet de coupler les modes et d'obtenir des effets quantiques non monomodes transverses.
Depuis les premières expériences de principe, l'interférométrie atomique a connu un essor important lié notamment à la maîtrise des processus de refroidissement d'atomes par laser et à l'utilisation de transitions cohérentes à deux photons pour les manipuler. Nous présentons dans ce manuscrit le développement d'un gyromètre atomique à effet Sagnac de haute sensibilité fondé sur une configuration repliée. Les choix expérimentaux réalisés lors de la conception de ce nouvel appareil ont été guidés par l'étude d'un premier prototype afin de repousser ses limites techniques. La première partie du travail a consisté en la caractérisation du premier gyromètre et à l'étude de ses performances limites liées à la fluctuation du biais introduit par les défauts de front d'onde du faisceau Raman. Cet appareil nous a également permis de mettre en place une méthode de mesure utilisant un sismomètre pour mesurer puis soustraire les accélérations parasites du signal de l'interféromètre assurant ainsi un niveau de sensibilité intéressant dans un environnement perturbé. L'étude s'est ensuite portée sur le test de nouvelles séparatrices atomiques en double-diffraction permettant d'accroître l'aire d'un interféromètre. La dernière partie de ce travail s'est concentrée sur le développement d'un nouveau prototype. Nous présentons ici les résultats préliminaires de cette expérience fondée sur une configuration à 4 impulsions Raman stimulées. Cette première caractérisation ouvre la voie à des mesures atteignant des niveaux de sensibilité inégalés pour ce type de capteurs.
Ressources quantiques à variable continue aux longueurs d'onde de télécommunication Les réseaux quantiques à variables continues constituent une ressource précieuse pour un large éventail de protocoles de communication et de traitement de l'information quantiques. Le multiplexage en fréquence et le multiplexage temporel rapide permettent la mise en œuvre d'architectures quantiques évolutives, dans ce cadre une caractérisation précise des sources de lumière comprimée multimode est essentielle. Dans ce travail, nous augmentons à la fois la résolution spectrale et les valeurs de compression mesurées. Ces deux paramètres sont déterminants pour l'amélioration de la génération des états dits cluster, une ressource clé pour le calcul quantique basé sur la mesure. Notre source repose sur la conversion paramétrique descendante dans un guide d'onde en PPKTP, pompé par un laser pulsé. La source génère des états comprimés sur un ensemble spécifique de spectres optiques. L'augmentation de la résolution spectrale dans une détection homodyne résolue spectralement nous a permis d'améliorer la compression par mode spectral, en la faisant passer de 1 dB à plus de 2,4 dB dans le premier mode, lors de mesures effectuées avec un détecteur homodyne de largeur de bande de quelques MHz. Dans un second temps, nous avons mis en œuvre une caractérisation impulsion par impulsion de la ressource à l'aide d'un détecteur homodyne rapide dont la bande passante électronique est de l'ordre du taux de répétition du laser (100 MHz). Cette approche a permis de mettre en évidence des valeurs de compression allant jusqu'à 1,5 dB dans les premiers modes spectraux. Afin d'accéder pleinement à la ressource quantique multimode et, à terme, d'augmenter le niveau de compression mesuré, une efficacité quantique élevée est requise. Pour éviter les limitations dues à un mauvais recouvrement spatial entre la ressource quantique et l'oscillateur local en détection homodyne, nous avons mis en place un schéma de façonnage du front d'onde permettant de caractériser et de contrôler à la fois le profil d'intensité et la phase de l'oscillateur local. Lors de tests préliminaires, cette approche a permis d'augmenter le recouvrement entre le faisceau de référence et le signal quantique de plus de 8 %, tout en fournissant simultanément une caractérisation détaillée de la forme du faisceau et de l'influence de la transmission du guide d'onde sur le profil du faisceau. Pour obtenir un avantage réel en traitement de l'information quantique par rapport aux protocoles classiques, la génération d'états non gaussiens est nécessaire. Nous présentons donc un schéma complet pour la création d'états non gaussiens dans un système multimode par addition et soustraction sélectives d'un photon, mises en œuvre via des processus optiques non linéaires dans des matériaux non linéaires du second ordre. Nous introduisons un cadre de simulation appliqué à notre source de compression, qui peut également être adapté à d'autres régimes. Sur la base de ce cadre, nous sommes en mesure de prédire des configurations spécifiques de guides d'onde permettant un contrôle complet des états quantiques générés tout en conservant une pureté élevée, chaque processus présentant un nombre de Schmidt proche de K=1, correspondant à un adressage effectif monomode.
Depuis plus de 30 ans, de nombreux laboratoires ont développé des expériences de physique atomique permettant de mesurer des accélérations ou des rotations en utilisant des gaz d'atomes manipulés par des champs magnétiques et refroidis par laser. Toutefois, la plupart de ces expériences sont trop encombrantes et remplissent des salles entières. Il est donc nécessaire de réduire drastiquement leur taille afin de pouvoir considérer des applications industrielles aux capteurs à atomes froids en dehors du laboratoire. Bien que de nombreux efforts aient étés réalisés ces dernières années notamment à l'Onera et chez Muquans, la taille du dispositif complet est encore trop imposante pour certaines applications. À la fin des années 90, il a été démontré que des atomes pouvaient être piégés et manipulés sur une puce, permettant ainsi de réduire à la fois la taille et la consommation énergétique de ces capteurs en comparaison d'expériences en laboratoire. C'est dans ce cadre que Thales a commencé à s'intéresser à la réalisation de capteurs inertiels sur puce avec des atomes froids pour la navigation autonome. La technique retenue par notre groupe permet la réalisation de chacune des fonctions nécessaires à l'obtention d'une centrale inertielle sur la même puce atomique. Elle repose notamment sur la séparation spatiale sélective de nuages atomiques dans un piège magnétique via l'habillage d'états internes dans le domaine micro-onde. L'objectif de cette thèse est de concevoir et évaluer la faisabilité de nouveaux types de capteurs inertiels reposant sur l'interférométrie, en utilisant des atomes refroidis piégés au voisinage d'une puce tout au long de la séquence de mesure. Dans le Chapitre 1, nous présentons les applications possibles des interféromètres atomiques et les défis à relever pour miniaturiser ces capteurs et les rendre embarquables, puis nous comparons les performances entre les technologies concurrentes. Le Chapitre 2 est consacré à la description théorique des différentes techniques utilisés dans l'expérience. Le refroidissement des atomes par effet Doppler et le piégeage magnétique sont notamment expliqués, puis nous décrivons une séquence d'interférométrie de Ramsey dans le cas d'une horloge, ainsi que dans le cas d'un accéléromètre, c'est à dire une séquence de Ramsey incluant une séparation spatiale sélective des deux états de l'interféromètre à l'aide d'habillages micro-ondes. Dans le Chapitre 3, nous décrivons l'ensemble du dispositif expérimental et toutes les étapes de préparations du nuage d'atomes depuis la sublimation du rubidium jusqu'au transfert dans le piège d'interférométrie. Nous y décrivons la façon dont on commande l'expérience ainsi que les différents modes de détection des atomes. Dans le Chapitre 4, nous présentons les résultats obtenus durant la thèse. Nous commençons par démontrer des déplacements sélectifs individuels de nuages polarisés dans un des deux états de l'interféromètre, puis des deux à la fois. Nous présentons une méthode originale pour calibrer la position du piège magnétique, puis nous présentons les franges d'interférences obtenus lors de séquences de Ramsey avec séparation spatiale des deux états. Enfin, nous présentons une étude du contraste des franges en fonction de la température du nuage, ainsi que des mesures de variance d'Allan.
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.