Optomécanique avec de la lumière comprimée : Théorie et Expériences Cette thèse de doctorat étudie les limites quantiques à l’œuvre dans la détection interférométrique de faibles déplacements mécaniques, ainsi que les moyens de les surpasser à l’aide de lumière comprimée. Dans un premier temps, ce travail traite théoriquement de la faisabilité d’une lumière comprimée dépendante de la fréquence via l’utilisation d’une cavité de filtrage induisant une rotation de quadrature placée en sortie d’un amplificateur paramétrique optique. Dans un second temps, il se concentre sur la démonstration expérimentale d’une détection sous la limite quantique standard (SQL) à travers deux expériences réalisées. La première met en œuvre un système « membrane at the edge » (MATE) basé sur une membrane en nitrure de silicium à haut facteur de qualité mécanique intégrée dans une cavité Fabry-Pérot de grande finesse. La deuxième expérience met en œuvre une source de lumière comprimée indépendante de la fréquence, et la stratégie nécessaire à l’implémentation d’une source dépendante de la fréquence pour des expériences dites « de table » est discutée et comparée à celle adoptée pour les grands interféromètres de détection d’ondes gravitationnelles. Ces deux expériences sont pilotées à l’aide de boucles d’asservissement optiques numériques basées sur FPGA et développées au laboratoire, permettant un fonctionnement stable dans les conditions requises pour des mesures à la limite quantique.
Optomécanique avec de la lumière comprimée : Théorie et Expériences Cette thèse de doctorat étudie les limites quantiques à l’œuvre dans la détection interférométrique de faibles déplacements mécaniques, ainsi que les moyens de les surpasser à l’aide de lumière comprimée. Dans un premier temps, ce travail traite théoriquement de la faisabilité d’une lumière comprimée dépendante de la fréquence via l’utilisation d’une cavité de filtrage induisant une rotation de quadrature placée en sortie d’un amplificateur paramétrique optique. Dans un second temps, il se concentre sur la démonstration expérimentale d’une détection sous la limite quantique standard (SQL) à travers deux expériences réalisées. La première met en œuvre un système « membrane at the edge » (MATE) basé sur une membrane en nitrure de silicium à haut facteur de qualité mécanique intégrée dans une cavité Fabry-Pérot de grande finesse. La deuxième expérience met en œuvre une source de lumière comprimée indépendante de la fréquence, et la stratégie nécessaire à l’implémentation d’une source dépendante de la fréquence pour des expériences dites « de table » est discutée et comparée à celle adoptée pour les grands interféromètres de détection d’ondes gravitationnelles. Ces deux expériences sont pilotées à l’aide de boucles d’asservissement optiques numériques basées sur FPGA et développées au laboratoire, permettant un fonctionnement stable dans les conditions requises pour des mesures à la limite quantique.
Cette thèse de doctorat étudie les limites quantiques à l’œuvre dans la détection interférométrique de faibles déplacements mécaniques, ainsi que les moyens de les surpasser à l’aide de lumière comprimée. Dans un premier temps, ce travail traite théoriquement de la faisabilité d’une lumière comprimée dépendante de la fréquence via l’utilisation d’une cavité de filtrage induisant une rotation de quadrature placée en sortie d’un amplificateur paramétrique optique. Dans un second temps, il se concentre sur la démonstration expérimentale d’une détection sous la limite quantique standard (SQL) à travers deux expériences réalisées. La première met en œuvre un système « membrane at the edge » (MATE) basé sur une membrane en nitrure de silicium à haut facteur de qualité mécanique intégrée dans une cavité Fabry-Pérot de grande finesse. La deuxième expérience met en œuvre une source de lumière comprimée indépendante de la fréquence, et la stratégie nécessaire à l’implémentation d’une source dépendante de la fréquence pour des expériences dites « de table » est discutée et comparée à celle adoptée pour les grands interféromètres de détection d’ondes gravitationnelles. Ces deux expériences sont pilotées à l’aide de boucles d’asservissement optiques numériques basées sur FPGA et développées au laboratoire, permettant un fonctionnement stable dans les conditions requises pour des mesures à la limite quantique.
L optomecanique en cavité, l étude de l interaction entre le mode d une cavité optique et un mode mécanique d un résonateur, a eu une évolution impressionnante depuis dix ans et elle est devenue un nouveau champ de recherche, réunissant la physique de la matière condensée et l optique. Un des objectifs majeurs de cette discipline est de tester et étudier la mécanique quantique en utilisant des systèmes macroscopiques. Parmi les problèmes les plus fondamentaux que la communauté aborde est la question des limites quantiques de la mesure de position. La mécanique quantique prédit que toute mesure s accompagne d une action en retour, ce qui perturbe l état du système muser e. En outre, il devrait être conjugué avec le bruit quantique de l appareil de mesure (le bruit de mesure) utilisé pour sonder le système. La sensibilité e optimale est atteinte lorsque la mesure et le bruit abréaction sont identiques, une situation qui peut être assimilé à l acceptation de l inégalité de Heisenberg pour l appareil de mesure. En optomécanique, le mode d une cavité optique est utilisé comme un appareil de mesure de la position d un résonateur mécanique qui est piloté par la pression de radiation et qui devrait être responsable pour l action en retour de la mesure. Cependant, cette action en retour n a jamais été observe à ce jour, alors qu il reste une étape décisive vers la compréhension des processus du mesure quantique. Nous décrivons dans ce manuscrit l étude des effets de la pression de radiation. Nous introduisons le système optomécanique que nous avons développé qui consiste a un résonateur mécanique plan-convexe de taille de quelques cm présentant un très haut facteur de qualité (~106) intégré dans une cavité Fabry-Pérot de très grande finesse ( 300 000). Nous pressentons deux résultats importants que nous avons obtenus avec ce système. Tout d abord, nous avons rapporté la première observation directe de la pression de radiation en temps réel, basée sur l établissement pompe-sonde corrélations. Nous avons également démontré pour la première fois des effets non linéaires dû à l action en retour lies l amélioration substantielle de la sensibilité de la mesure de position. Nous expliquons pourquoi la démonstration de l action en retour quantique nécessite une ultra- haute stabilité du mode optique. Nous presentons les modifications importantes apportées la configuration expérimentale précédente, notamment sur la source laser, la détection et la stabilisation de l' expérience. Nous décrivons ensuite une nouvelle technique de détection optomécanique fournissant une mesure indépendante du désaccord de la cavité. Enfin, nous pressentons une expérience de validation de principe permettant d extraire des corrélations quantiques optomécaniques à la température ambiante.
L'objectif de ce travail de thèse est de mettre en œuvre une mémoire quantique de haute efficacité dans le cadre d’un protocole de génération d'états quantiques de la lumière, avec pour finalité une augmentation de plusieurs ordres de grandeur du taux de génération de ces états. Nous montrons comment une telle architecture peut être utilisée en pratique pour la génération d’états clés pour l’optique quantique, tels que les états "chats de Schrödinger optiques" (superposition quantique d’états cohérents de phases opposées) qui sont une brique de base pour de nombreux protocoles dans le domaine de l’information quantique. Nous réalisons cette mémoire à l’aide d’une cavité optique de haut facteur de qualité, un dispositif actif permettant d’insérer et d’extraire une impulsion lumineuse à la demande, et nous l’alimentons avec des photons uniques issus d’une source rapide en cavité optique synchronisée. La mise en œuvre d’une telle mémoire nécessite une connaissance complète des paramètres physiques, et notamment de la phase des états quantiques, menant à la mise en place d’outils de diagnostics précis. Il s’agit là d’un premier pas vers la manipulation en temps réel d’états encodés sur la lumière en espace libre.
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.
Cette thèse se concentre sur l'étude des résonateurs optomécaniques intégrés dans le régime quantique. Ils constituent en effet une plateforme très prometteuse pour plusieurs applications quantiques telles que la détection quantique (exploitation des états non-classiques du mouvement pour augmenter la sensibilité), les mémoires quantiques (les résonateurs mécaniques ont démontré de très longues durées de vie) et les transducteurs quantiques (conversion de l'information quantique encodée dans les photons micro-ondes des qubits supraconducteurs en photons télécom par l'interaction avec un résonateur mécanique). Ce travail s'est concentré sur le développement d'un transducteur quantique électro-optomécanique intégré sur silicium sur isolateur (SOI) et compatible CMOS, et d'un montage optomécanique pour permettre son fonctionnement dans le régime quantique à l'avenir. En collaboration avec l'Institut Néel et le CEA LETI à Grenoble, nous avons donc conçu un cristal optomécanique (OMC) 1D suspendu, couplé mécaniquement à un cristal électromécanique (EMC) pour former des supermodes mécaniques dans la gamme de fréquence des GHz. Ces supermodes peuvent être adressés à la fois par une cavité optique (un mode de défaut optique confiné dans le OMC) et par un résonateur supraconducteur via le couplage capacitif assuré par le EMC. Néanmoins, pour réaliser des opérations quantiques avec un tel dispositif, il est nécessaire d'éviter l'ajout de photons provenant du bain thermique mécanique, et donc de préparer le résonateur mécanique dans son état fondamental de mouvement où l'occupation moyenne des phonons est proche de zéro. Nous avons donc mis au point un montage pour préparer comme preuve de concept un résonateur optomécanique, un disque optomécanique en arséniure de gallium (qui confine des modes de galerie optiques de haute qualité bien couplés à un mode de respiration radiale mécanique à haute fréquence autour de 1 GHz), dans son état de mouvement fondamental en le refroidissant à 10 mK à l'aide d'une réfrigération par dilution. Pour mesurer l'occupation moyenne des phonons, nous avons réalisé une thermométrie des bandes latérales par comptage de photons, qui implique deux lasers bleu et rouge désaccordés d'une fréquence mécanique par rapport à la résonance optique pour entraîner des interactions optomécaniques de type Raman. Les photons diffusés par le processus optomécanique à la résonance optique sont conservés et comptés sur un détecteur de photons uniques, et les photons pompes rejetés spectralement. Grâce à cette mesure, nous avons pu démontrer une occupation moyenne des phonons de nb=0,66+-0,20, confirmant la préparation de ce résonateur très proche de son état fondamental du mouvement. Enfin, nous avons proposé une nouvelle géométrie de résonateurs optomécaniques intégrés à forte coopérativité quantique dans le silicium et l'arséniure de gallium, appelée « microgear ».
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.