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This thesis describes the implementation of new atom interferometry techniques to improve the stability and accuracy of a cold-atom gyroscope located at the SYRTE laboratory. Stimulated Raman transitions are used to split and recombine the atomic waves. A sequence of four light pulses generates an interferometer with a Sagnac area of 11 cm2. I present the implementation of an interleaved interrogation scheme, where three atomic clouds are interrogated simultaneously in an atom interferometer featuring a sampling rate of 3.75 Hz and an interrogation time of 801 ms. With this scheme we demonstrate a short-term sensitivity of 30 nrad·s-1·Hz-1/2. We then present measurements of dynamic rotation rates in a so far unexplored range for a cold atom sensor. An important bias of the sensor originates from a coupling between a relative misalignment of the mirrors which retro-reflect the Raman beams and the trajectory of the atom. A technique is introduced to reduce this bias at the level of 3 nrad·s-1 and to achieve a long-term stability of 0.3 nrad·s-1 which represents the state of the art for atomic gyroscopes. The manuscript then describes the first characterization of the scale factor of the gyroscope using different techniques. In particular, the implementation of a rotation stage below the sensor enables us to vary the projection of the Erath rotation rate vector onto the interferometer area and therefore to modulate the rotation phase shift. The implementation of the techniques presented in this thesis pave paving the way to a test of the Sagnac effect for matter waves with a relative accuracy level below 100 parts per million.; Cette thèse décrit la mise en œuvre de nouvelles techniques d'interférométrie atomique améliorant la stabilité et l’exactitude d'un gyromètre à atomes froids situé au laboratoire SYRTE. Des transitions Raman stimulées permettent de séparer et recombiner les ondes atomiques. Une séquence de quatre impulsions lumineuses génère un interféromètre avec une aire Sagnac de 11 cm2. Je présente la mise en œuvre d'un schéma d'interrogation entrelacé dans un interféromètre dont le temps d'interrogation est de 801 ms, dans lequel trois nuages atomiques sont interrogés simultanément résultant en une cadence de mesure de 3,75 Hz. Avec ce schéma, nous démontrons une sensibilité de 30 nrad/s/sqrt(Hz). Nous présentons ensuite des mesures de rotation dynamiques dans une plage jusqu'ici inexplorée pour un capteur à atomes froids. Un biais important du capteur provient d'un couplage entre un désalignement relatif des miroirs rétroréfléchissant les faisceaux Raman et la trajectoire de l'atome. Une technique est introduite pour réduire ce biais au niveau de 3 nrad/s et atteindre une stabilité à long terme de 0,3 nrad/s qui représente l'état de l'art des gyromètres atomiques. Le manuscrit décrit ensuite la première caractérisation du facteur d'échelle du gyromètre à l'aide de différentes techniques. En particulier, la mise en place d’une plateforme de rotation sous le capteur permet de faire varier la projection du vecteur rotation de la Terre sur l'interféromètre et donc de moduler le déphasage de rotation. Les techniques présentées dans cette thèse ouvrent la voie à un test de l'effet Sagnac pour les ondes de matière avec une précision relative inférieure à 100 parties par million.

This thesis describes the implementation of new atom interferometry techniques to improve the stability and accuracy of a cold-atom gyroscope located at the SYRTE laboratory. Stimulated Raman transitions are used to split and recombine the atomic waves. A sequence of four light pulses generates an interferometer with a Sagnac area of 11 cm2. I present the implementation of an interleaved interrogation scheme, where three atomic clouds are interrogated simultaneously in an atom interferometer featuring a sampling rate of 3.75 Hz and an interrogation time of 801 ms. With this scheme we demonstrate a short-term sensitivity of 30 nrad·s-1·Hz-1/2. We then present measurements of dynamic rotation rates in a so far unexplored range for a cold atom sensor. An important bias of the sensor originates from a coupling between a relative misalignment of the mirrors which retro-reflect the Raman beams and the trajectory of the atom. A technique is introduced to reduce this bias at the level of 3 nrad·s-1 and to achieve a long-term stability of 0.3 nrad·s-1 which represents the state of the art for atomic gyroscopes. The manuscript then describes the first characterization of the scale factor of the gyroscope using different techniques. In particular, the implementation of a rotation stage below the sensor enables us to vary the projection of the Erath rotation rate vector onto the interferometer area and therefore to modulate the rotation phase shift. The implementation of the techniques presented in this thesis pave paving the way to a test of the Sagnac effect for matter waves with a relative accuracy level below 100 parts per million., Cette thèse décrit la mise en œuvre de nouvelles techniques d'interférométrie atomique améliorant la stabilité et l’exactitude d'un gyromètre à atomes froids situé au laboratoire SYRTE. Des transitions Raman stimulées permettent de séparer et recombiner les ondes atomiques. Une séquence de quatre impulsions lumineuses génère un interféromètre avec une aire Sagnac de 11 cm2. Je présente la mise en œuvre d'un schéma d'interrogation entrelacé dans un interféromètre dont le temps d'interrogation est de 801 ms, dans lequel trois nuages atomiques sont interrogés simultanément résultant en une cadence de mesure de 3,75 Hz. Avec ce schéma, nous démontrons une sensibilité de 30 nrad/s/sqrt(Hz). Nous présentons ensuite des mesures de rotation dynamiques dans une plage jusqu'ici inexplorée pour un capteur à atomes froids. Un biais important du capteur provient d'un couplage entre un désalignement relatif des miroirs rétroréfléchissant les faisceaux Raman et la trajectoire de l'atome. Une technique est introduite pour réduire ce biais au niveau de 3 nrad/s et atteindre une stabilité à long terme de 0,3 nrad/s qui représente l'état de l'art des gyromètres atomiques. Le manuscrit décrit ensuite la première caractérisation du facteur d'échelle du gyromètre à l'aide de différentes techniques. En particulier, la mise en place d’une plateforme de rotation sous le capteur permet de faire varier la projection du vecteur rotation de la Terre sur l'interféromètre et donc de moduler le déphasage de rotation. Les techniques présentées dans cette thèse ouvrent la voie à un test de l'effet Sagnac pour les ondes de matière avec une précision relative inférieure à 100 parties par million.

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The best possible precision is one of the key figures in metrology, but this is established by the exact response of the detection apparatus, which is often unknown. There exist techniques for detector characterization that have been introduced in the context of quantum technologies but apply as well for ordinary classical coherence; these techniques, though, rely on intense data processing. Here, we show that one can make use of the simpler approach of data fitting patterns in order to obtain an estimate of the Cramer-Rao bound allowed by an unknown detector, and we present applications in polarimetry. Further, we show how this formalism provides a useful calculation tool in an estimation problem involving a continuous-variable quantum state, i.e., a quantum harmonic oscillator.

Weak measurements offer the possibility of tuning the information acquired on a system, hence the imposed disturbance. This suggests that it could be a useful tool for multi-parameter estimation, when two parameters can not be measured simultaneously at the quantum limit. Here we discuss their use for phase estimation in the presence of phase diffusion in the context of polarimetry, a scenario which is conveniently cast in terms of a two-level quantum system in many relevant cases.