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Controllably producing optical photons and making them interact are two key requirements for the development of long-distance quantum communications, and more generally for photonic quantum information processing. This thesis presents experimental studies on possible solutions to these two problems, using the conversion of the photons into collective excitations (polaritons) in a cold atomic cloud, inside the mode of a low-finesse optical cavity (~100). Firstly, ground-state polaritons are used to store a single excitation in the cloud memory. This polariton is then efficiently converted into a single photon, whose field is characterized via homodyne tomography. The single photon state’s Wigner function is reconstructed from the experimental data and exhibits negative values, demonstrating that the photon’s degrees of freedom (spatio-temporal mode and quantum state) are well controlled. Secondly, photons can be coupled to polaritons involving Rydberg states. The strong dipolar interactions between these give rise to very strong optical dispersive nonlinearities, that are characterized in a classical excitation regime. These nonlinearities can be amplified until a single photon is enough to modify the entire system’s response, allowing in principle for the generation of effective photon-photon interactions.; Produire et faire interagir entre eux des photons optiques de façon contrôlée sont deux conditions nécessaires au développement de communications quantiques à longue distance, et plus généralement au traitement quantique d’information codée sur des photons. Cette thèse présente une étude expérimentale de solutions possibles a ces deux problèmes, en utilisant la conversion des photons en excitations collectives (polaritons) dans un nuage d’atomes froids, placé dans le mode d’une cavité optique de faible finesse (~100). Dans un premier temps, des polaritons entre états atomiques fondamentaux sont utilisés pour « mettre en mémoire » une excitation unique dans le nuage. Celle-ci est ensuite convertie efficacement en un photon unique, dont le champ est analysé par tomographie homodyne. La fonction de Wigner de l’état à un photon est reconstruite a partir des données expérimentales, et présente des valeurs négatives, démontrant que les degrés de liberté de ce photon (mode spatio-temporel et état quantique) sont complètement contrôlés. Dans un second temps, les photons sont couplés à des polaritons impliquant des états de Rydberg. Les fortes interactions dipolaires entre ces derniers se traduisent par des non-linéarités optiques dispersives très importantes, qui sont caractérisées dans un régime d’excitation classique. Ces non-linéarités peuvent être amplifiées jusqu’à ce qu’un seul photon suffise à modifier totalement la réponse du système, permettant en principe de générer des interactions effectives entre photons.

The study of quantum light-matter interaction with atomic ensembles is an active research area. This kind of system allows fundamental studies on measurement in the context of continuous variables, in collective entanglement and in quantum simulations. This field of research is also interesting in the context of quantum metrology, quantum networking and quantum computation. In this thesis two complementary aspects of light matter interaction with atomic ensembles have been studied with trapped ions and cold neutral atoms. The trapped ion experiment is intended to evaluate the possibility to use large ion clouds for realizing a quantum memory with long coherence times. Laser cooled trapped ions can reach a crystalline phase due to the strong Coulomb repulsion between ions. In this phase the relative positions between the ions is fixed avoiding several sources of coherence loss. The light matter interaction in a large Coulomb crystal have been measured, and the possible limitations of such system are discussed. The cold atom experiment focused on the use of quantum non demolition measurements to evaluate non-Gaussian states in the context of an experiment similar to quantum networking experiment currently planned.. Non Gaussian atomic states are a resource for quantum computation and quantum communication, in the context of atomic physics experiments, their detection can be difficult. The work presented in this thesis focuses on the detection of non Gaussian states in atomic ensembles using cumulants, and in particular their noise properties., L'étude de l'interaction lumière matière avec des ensembles atomiques est un domaine de recherche actif. Ce type de système permet des études fondamentales sur la mesure dans le contexte de variables continues, l'intrication collective, et les simulations quantiques. Ce domaine de recherche est également intéressant dans le contexte de la métrologie quantique, la communication quantique et l'informatique quantique. Dans cette thèse, deux aspects complémentaires de l'intéraction lumière matière avec des ensembles atomiques ont été étudiés avec des ions piégés et des atomes neutres refroidis par laser. L'expérience basée sur les ions piégés a pour but d'évaluer la possibilité d'utiliser de grands nuages d'ions afin d'obtenir une mémoire quantique possédant un long temps de cohérence. La forte répulsion de Coulomb entre les ions les place dans un état cristallin permettant de réduire les phénomènes de décohérence. L'interaction entre la lumière et la matière dans un grand cristal de Coulomb a été mesuré et les limitations d'un tel système sont discutées. L'expérience atomes froids c'est concentrée sur l'utilisation de mesures non destructives pour détecter les états non gaussiens atomiques. Ces états sont une ressource importante pour nombre de protocoles quantiques en régime de variables continues. Cette expérience est semblable aux expériences de communication quantique qui sont actuellement menées. Le travail présenté dans cette thèse se concentre sur la détection des états non gaussiens dans des ensembles atomiques en utilisant les cumulants, et en particulier le bruit associé à la mesure des cumulants.

In this thesis, we develop new methods to generate and analyze non-classical states of the light for quantum information processing. We show that the tools of discrete variables, where light is described in terms of photons, can be combined with a continuous approach, where one considers the quadratures of the electromagnetic field, to efficiently create, transform and analyze complex quantum states. Using ultrashort light pulses, we prepared optical "Schrödinger cats", defined as quantum superpositions of coherent states. In this case the Wigner function, describing the quantum statistics of the electromagnetic field, differs from a classical probability distribution and takes negative values. Time-resolved homodyne tomography allowed us to realize the first experimental observation of this negativity for small free-propagating "Schrödinger kittens". Furthermore, we developed and experimentally demonstrated a protocol to prepare arbitrarily large "Schrödinger cat" states, opening a way towards numerous quantum information processing protocols. We have shown experimentally that conditional photon subtraction allows one to increase the entanglement of gaussian states. We used this method to entangle two initially independent distant light pulses, using a low-transmission quantum channel. This approach allows one to prepare strongly entangled states with negative Wigner functions between distant sites, as required for entanglement distillation and long-distance quantum communications.; 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.

In this thesis, we develop new methods to generate and analyze non-classical states of the light for quantum information processing. We show that the tools of discrete variables, where light is described in terms of photons, can be combined with a continuous approach, where one considers the quadratures of the electromagnetic field, to efficiently create, transform and analyze complex quantum states. Using ultrashort light pulses, we prepared optical "Schrödinger cats", defined as quantum superpositions of coherent states. In this case the Wigner function, describing the quantum statistics of the electromagnetic field, differs from a classical probability distribution and takes negative values. Time-resolved homodyne tomography allowed us to realize the first experimental observation of this negativity for small free-propagating "Schrödinger kittens". Furthermore, we developed and experimentally demonstrated a protocol to prepare arbitrarily large "Schrödinger cat" states, opening a way towards numerous quantum information processing protocols. We have shown experimentally that conditional photon subtraction allows one to increase the entanglement of gaussian states. We used this method to entangle two initially independent distant light pulses, using a low-transmission quantum channel. This approach allows one to prepare strongly entangled states with negative Wigner functions between distant sites, as required for entanglement distillation and long-distance quantum communications.; 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.