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This thesis focuses on the study of interactions between photons guided by an optical nanofiber and arrays of trapped atoms. Our experimental setup consists in a two-color compensated dipole trap located in the evanescent field of an optical nanofiber in a ultra-high vacuum chamber. Cold cesium atoms are trapped in two 1D arrays above and below the nanofiber. An optical depth of over 130 is achieved with only a few thousand atoms. We demonstrate the ability to prepare the trapped atoms in a single Zeeman sub-level, albeit with limited efficiency. This is an important step towards the realization of a long-lived quantum memory with our fibered platform. The main result of this thesis concerns the initialization of a single collective excitation coupled to the nano-waveguide. The excitation is heralded by the detection of a Raman scattered photon in the nanofiber. We are then able to readout the atomic state and retrieve a single photon in the guided mode with an efficiency of up to 25%. This result is the first demonstration of an atomic entangled state preferentially coupled to a waveguide. It is a milestone in the context of the emerging waveguide-QED approach, with applications to quantum networking, quantum non-linear optics and quantum many-body physics.; Cette thèse traite des interactions entre des photons guidés par une nanofibre optique et des réseaux d'atomes piégés. Notre montage expérimental consiste en un piège dipolaire bicolore compensé, généré dans le champ évanescent d'une nanofibre et permettent de piéger des atomes de césium de part et d'autre de la fibre. Une épaisseur optique de plus de 130 est obtenue avec quelques milliers d'atomes seulement. Nous démontrons la capacité de préparer les atomes piégés dans un sous-niveau Zeeman unique, bien qu'avec une efficacité limitée. Cette étape est importante pour la réalisation de mémoires quantiques avec de longs temps de vie avec notre plateforme fibrée. Le résultat principal que nous présentons est la réalisation d'une excitation collective unique dans l'ensemble d'atomes. L'excitation est annoncée par la détection d'un photon émis dans le mode guidé. Nous sommes alors capables de lire l'état atomique et récupérer un photon unique dans le mode guidé avec une efficacité jusqu'à 25%. Ce résultat consiste en une première démonstration d'un état atomique intriqué, couplé préférentiellement à un guide d'onde, une étape importante dans le contexte de l’électrodynamique quantique avec des guides d'ondes.

Harnessing the laws of quantum theory can drastically boost the security of modern communication networks, from public key encryption to electronic voting and online banking. In this thesis, we bridge the gap between theory and experiment regarding two quantum-cryptographic tasks: quantum money and quantum weak coin flipping. Quantum money exploits the no-cloning property of quantum physics to generate unforgeable tokens, banknotes, and credit cards. We provide the first proof-of-principle implementation of this task, using photonic systems at telecom wavelengths. We then develop a practical security proof for quantum credit card schemes, in which the bank can remotely verify a card even in the presence of a malicious payment terminal. We finally propose a setup for secure quantum storage of the credit card, using electromagnetically-induced transparency in a cloud of cold cesium atoms. Quantum weak coin flipping is a fundamental cryptographic primitive, which helps construct more complex tasks such as bit commitment and multiparty computation. It allows two distant parties to flip a coin when they both desire opposite outcomes. Using quantum entanglement then prevents any party from biasing the outcome of the flip beyond a certain probability. We propose the first implementation for quantum weak coin flipping, which requires a single photon and linear optics only. We provide the complete security analysis in the presence of noise and losses, and show that the protocol is implementable on the scale of a small city with current technology. We finally propose a linear-optical extension of the protocol to lower the coin bias.; Les lois de la mécanique quantique présentent un fort potentiel d’amélioration pour la sécurité des réseaux de communication, du cryptage à clé publique au vote électronique, en passant par la banque en ligne. Cette thèse porte sur la sécurité pratique et l’implémentation de deux tâches cryptographiques quantiques : la monnaie quantique et le tirage à pile-ou-face faible. La monnaie quantique exploite le théorème de non-clonage quantique pour générer des jetons, billets ou cartes de crédit strictement infalsifiables. Nous réalisons la première démonstration expérimentale de cette fonctionnalité sur une plateforme photonique aux longueurs d’onde télécom. Nous développons ensuite une analyse de sécurité pratique pour les cartes de crédit quantique. La banque peut ainsi vérifier l’authenticité de la carte à distance, même en présence d’un terminal de paiement malhonnête. Enfin, nous proposons une expérience permettant le stockage sécurisé d’une carte de crédit quantique en utilisant la transparence électromagnétiquement induite au sein d’un nuage d’atomes refroidis. Le tirage à pile-ou-face faible est une primitive cryptographique fondamentale: elle permet en effet la construction de tâches plus complexes telles que la mise en gage de bit et le calcul multipartite sécurisé. Lors d’un tirage à pile ou face, deux entités distantes et méfiantes jettent une pièce. Grâce à l’intrication quantique, il est possible de limiter la probabilité que l’entité malhonnête biaise la pièce. Dans ce projet, nous proposons la première implémentation du pile-ou-face faible. Celle-ci requiert un photon unique et une plateforme d’optique linéaire. Nous présentons l’analyse de sécurité en présence d’erreurs et de pertes, et démontrons que le protocole est réalisable à l’échelle d’une ville. Enfin, nous proposons de réduire davantage la probabilité du biais du protocole.

Harnessing the laws of quantum theory can drastically boost the security of modern communication networks, from public key encryption to electronic voting and online banking. In this thesis, we bridge the gap between theory and experiment regarding two quantum-cryptographic tasks: quantum money and quantum weak coin flipping. Quantum money exploits the no-cloning property of quantum physics to generate unforgeable tokens, banknotes, and credit cards. We provide the first proof-of-principle implementation of this task, using photonic systems at telecom wavelengths. We then develop a practical security proof for quantum credit card schemes, in which the bank can remotely verify a card even in the presence of a malicious payment terminal. We finally propose a setup for secure quantum storage of the credit card, using electromagnetically-induced transparency in a cloud of cold cesium atoms. Quantum weak coin flipping is a fundamental cryptographic primitive, which helps construct more complex tasks such as bit commitment and multiparty computation. It allows two distant parties to flip a coin when they both desire opposite outcomes. Using quantum entanglement then prevents any party from biasing the outcome of the flip beyond a certain probability. We propose the first implementation for quantum weak coin flipping, which requires a single photon and linear optics only. We provide the complete security analysis in the presence of noise and losses, and show that the protocol is implementable on the scale of a small city with current technology. We finally propose a linear-optical extension of the protocol to lower the coin bias., Les lois de la mécanique quantique présentent un fort potentiel d’amélioration pour la sécurité des réseaux de communication, du cryptage à clé publique au vote électronique, en passant par la banque en ligne. Cette thèse porte sur la sécurité pratique et l’implémentation de deux tâches cryptographiques quantiques : la monnaie quantique et le tirage à pile-ou-face faible. La monnaie quantique exploite le théorème de non-clonage quantique pour générer des jetons, billets ou cartes de crédit strictement infalsifiables. Nous réalisons la première démonstration expérimentale de cette fonctionnalité sur une plateforme photonique aux longueurs d’onde télécom. Nous développons ensuite une analyse de sécurité pratique pour les cartes de crédit quantique. La banque peut ainsi vérifier l’authenticité de la carte à distance, même en présence d’un terminal de paiement malhonnête. Enfin, nous proposons une expérience permettant le stockage sécurisé d’une carte de crédit quantique en utilisant la transparence électromagnétiquement induite au sein d’un nuage d’atomes refroidis. Le tirage à pile-ou-face faible est une primitive cryptographique fondamentale: elle permet en effet la construction de tâches plus complexes telles que la mise en gage de bit et le calcul multipartite sécurisé. Lors d’un tirage à pile ou face, deux entités distantes et méfiantes jettent une pièce. Grâce à l’intrication quantique, il est possible de limiter la probabilité que l’entité malhonnête biaise la pièce. Dans ce projet, nous proposons la première implémentation du pile-ou-face faible. Celle-ci requiert un photon unique et une plateforme d’optique linéaire. Nous présentons l’analyse de sécurité en présence d’erreurs et de pertes, et démontrons que le protocole est réalisable à l’échelle d’une ville. Enfin, nous proposons de réduire davantage la probabilité du biais du protocole.

This cotutelle PhD thesis revolves around quantum optics experiments which involve large atomic ensembles. The study of light-matter interaction and its enhancement are crucial steps in the development and progress of quantum information generation, storage and processing protocols. The work presented here focuses on the evolution of large atomic ensemble preparation techniques, on the development and experimental investigation of stopped and stationary light protocols. Laser-cooled atomic ensembles in both experimental realisations have been brought to optical depths of a few hundreds, at temperatures of tens of microkelvin. Moreover, addressing these ensembles in symmetric configurations has enabled the study of protocols based on the temporal reversal of the mapping of light to collective atomic excitations. These enhancements have led to the storage of qubits based on electromagnetically-induced transparency, and the optical storage in a backward-retrieval Raman scheme, both demonstrating efficiency records, above 50%. This work has also led to the experimental investigation of stationary light and new protocols based on it.; Cette thèse de doctorat en co-tutelle a été centrée sur des expériences d’optique quantique faisant intervenir de grands ensembles atomiques. L’étude de l’interaction entre la lumière et la matière et l’augmentation de leur couplage dans ces systèmes sont des étapes fondamentales pour le développement et l’amélioration de protocoles de génération, de stockage et de manipulation d’information quantique. Le travail de thèse exposé ici traite en particulier de l’évolution des techniques de préparation d’ensembles atomiques denses, des protocoles de lumière arrêtée et de lumière stationnaire développés et étudiés expérimentalement. Les ensembles d’atomes froids préparés par refroidissement laser dans les deux réalisations expérimentales ont été portés jusqu’à des épaisseurs optiques de plusieurs centaines, à des températures d’une dizaine de microkelvin. De plus, l’adressage de ces ensembles dans des configurations symétriques ont permis l’étude de protocoles basés sur le renversement temporel de la conversion de lumière en excitations atomiques collectives. Ces améliorations ont mené au stockage de bits quantiques par transparence induite électromagnétiquement, et de lumière cohérente par symétrie temporelle dans une mémoire Raman, tous deux à des record d’efficacité, à de plus de 50%. Ce travail a également conduit à l’étude expérimentale de la lumière stationnaire et de nouveaux protocoles en découlant.

This cotutelle PhD thesis revolves around quantum optics experiments which involve large atomic ensembles. The study of light-matter interaction and its enhancement are crucial steps in the development and progress of quantum information generation, storage and processing protocols. The work presented here focuses on the evolution of large atomic ensemble preparation techniques, on the development and experimental investigation of stopped and stationary light protocols. Laser-cooled atomic ensembles in both experimental realisations have been brought to optical depths of a few hundreds, at temperatures of tens of microkelvin. Moreover, addressing these ensembles in symmetric configurations has enabled the study of protocols based on the temporal reversal of the mapping of light to collective atomic excitations. These enhancements have led to the storage of qubits based on electromagnetically-induced transparency, and the optical storage in a backward-retrieval Raman scheme, both demonstrating efficiency records, above 50%. This work has also led to the experimental investigation of stationary light and new protocols based on it., Cette thèse de doctorat en co-tutelle a été centrée sur des expériences d’optique quantique faisant intervenir de grands ensembles atomiques. L’étude de l’interaction entre la lumière et la matière et l’augmentation de leur couplage dans ces systèmes sont des étapes fondamentales pour le développement et l’amélioration de protocoles de génération, de stockage et de manipulation d’information quantique. Le travail de thèse exposé ici traite en particulier de l’évolution des techniques de préparation d’ensembles atomiques denses, des protocoles de lumière arrêtée et de lumière stationnaire développés et étudiés expérimentalement. Les ensembles d’atomes froids préparés par refroidissement laser dans les deux réalisations expérimentales ont été portés jusqu’à des épaisseurs optiques de plusieurs centaines, à des températures d’une dizaine de microkelvin. De plus, l’adressage de ces ensembles dans des configurations symétriques ont permis l’étude de protocoles basés sur le renversement temporel de la conversion de lumière en excitations atomiques collectives. Ces améliorations ont mené au stockage de bits quantiques par transparence induite électromagnétiquement, et de lumière cohérente par symétrie temporelle dans une mémoire Raman, tous deux à des record d’efficacité, à de plus de 50%. Ce travail a également conduit à l’étude expérimentale de la lumière stationnaire et de nouveaux protocoles en découlant.

Superconducting circuits stand among the most advanced quantum information processing platforms. They have nowadays reached a maturity that offers a high level of controllability and a large variety of interactions that can be precisely designed on demand. The Josephson mixer is one such superconducting device that performs three-wave mixing at microwave frequencies. In this thesis, we describe three experiments in which the Josephson mixer was used for different applications. First, we have realized an effective ultrastrong coupling of two bosonic modes that allowed us to study the ground state properties of this system, such as the single mode and the two mode squeezing of the emitted radiation. Second, we have built a quantum node, able to generate and distribute entanglement over a microwave quantum network, as well as to store and release quantum information on demand. We have integrated an ancilla qubit to this device in order to increase the degree of control over the quantum state of the system. Finally, we have pushed the Josephson mixer beyond the parametric oscillation instability threshold, where we have demonstrated an atypical injection locking technique that relies on coherent frequency conversion in this non-degenerate device., Les circuits supraconducteurs sont parmi les technologies de l'information quantique les plus avancées. Ils ont aujourd'hui atteint la maturité qui offre un grand degré de contrôle et une large gamme d'interactions qui peuvent être précisément réalisées sur mesure. Le mixeur Josephson est un exemple de circuit supraconducteur qui effectue le mixage à trois ondes aux fréquences micro-ondes. Dans cette thèse, trois expériences, où le mixeur Josephson est utilisé pour trois applications différentes sont décrites. D'abord, nous avons réalisé le couplage ultrafort effectif entre deux modes bosoniques afin d'étudier les propriétés de l'état fondamental de ce système, tels que le squeezing à un mode et à deux modes du champ radié. Ensuite, nous avons construit un nœud quantique, capable de créer et distribuer de l'intrication sur un réseau quantique micro-onde, alors que de stocker et relâcher de l'information quantique à demande. Nous avons intégré un qubit de mesure dans ce dispositif pour augmenter le degré de contrôle sur son état quantique. Finalement, nous avons poussé le mixeur Josephson au delà du seuil de l'oscillation paramétrique, où nous avons démontré une technique inhabituelle de verrouillage par injection en conversion de fréquence dans ce dispositif non-dégénéré.

Long distance quantum communications are limited to few tens of km due to the attenuation of light in telecom fibres. Quantum repeaters (quantum relays synchronized by photonic quantum memories) were introduced in order to increase distances. Or, currently, the most efficient memories do not operate at wavelengths in the telecom C band. In order to take advantage of these memories, the use of quantum interfaces (second order nonlinear medium) was proposed as an alternative. Thus, by adding by sum frequency generation a pump photon at an appropriate wavelength to the telecom photon carrying the information, one transfers the information to a wavelength compatible with these memories, and this with a preservation of the information initially carried by the telecom photon. Our aim is thus to build a continuous-wave singly resonant optical parametric oscillator (cw SRO) which will provide a wave at 1648 nm that will be frequency summed to telecom photons at 1536 nm to transfer the information to a photon storable into alkali atoms based memory. To efficiently transfer the information, the cw SRO has to fulfill some requirements: a high spectral purity (linewidth ~kHz), a high output power (~1 W) and a wavelength longer than that of the telecom photon to be converted. To this aim, we use the non-resonant wave of a cw SRO. The first work done during this thesis was to experimentally prove the possibility to have both high output power and high spectral purity from a cw SRO. By reusing a cw SRO already built during our previous works, we were able to stabilize at the kHz level the frequency of the non-resonant wave at 947 nm (signal wave) of this SRO, with an output power of more than one watt. Then, we built the cw SRO of which non-resonant wave at 1648 nm (idler wave) has been frequency stabilized below the kHz level along with an output power of the order of one watt. We next studied the long term stability of the idler wavelength at 1648 nm. We have measured frequency drifts of the order of 10 MHz/mn. These drifts originating mainly from the reference cavity to which the SRO is locked, can be reduced by, firstly, an active control of the cavity and by, secondly, the use of robust frequency stabilization techniques.; La portée des communications quantiques est limitée à quelques dizaines de km en raison de l’atténuation dans les fibres. Les répéteurs quantiques (relais quantiques synchronisés par des mémoires quantiques photoniques) furent introduits afin d’accroître ces distances. Or, pour le moment, les mémoires les plus performantes fonctionnent à des longueurs d’onde n’appartenant pas à la bande C télécom. Afin de profiter de ces mémoires, l’utilisation d’interfaces quantiques (milieu non linéaire quadratique) fut proposée comme alternative. En ajoutant ainsi par somme de fréquences un photon de pompe de longueur d’onde appropriée au photon télécom portant l’information, on transfère l’information à une longueur d’onde compatible avec les mémoires, et ceci sans dégradation de l’information portée initialement par le photon télécom. Notre but est ainsi de construire un oscillateur paramétrique optique continu simplement résonant (SRO) qui fournira un faisceau à 1648 nm qui sera sommé en fréquence aux photons télécom à 1536 nm pour transférer l’information vers un photon stockable dans une mémoire à base d’atomes alcalins. Pour transférer efficacement l’information, le SRO doit satisfaire quelques critères : une haute finesse spectrale (largeur de raie ~kHz), une forte puissance (~1W) et une longueur d’onde plus grande que celle du photon télécom à convertir. Pour ce faire, nous utilisons le faisceau non-résonant d’un SRO continu. Le premier travail réalisé dans cette thèse a été de faire la démonstration de la possibilité d’avoir un faisceau à la fois intense et pur spectralement en sortie d’un SRO continu. En réutilisant un SRO déjà développé durant nos travaux antérieurs, nous avons pu stabiliser au niveau du kHz la fréquence du faisceau non résonant à 947 nm (onde signal) de ce SRO, tout en émettant une puissance de plus d’un watt. Ensuite, nous avons conçu le SRO dont le faisceau non résonant à 1648 nm (onde complémentaire) a été stabilisé à court terme en-dessous du kHz avec une puissance de l’ordre du watt. Nous avons ensuite étudié la stabilité à long terme de la longueur d’onde du complémentaire à 1648 nm. Nous avons mesuré des dérives de fréquences de l’ordre de 10 MHz/mn. Ces dérives, venant essentiellement de la cavité de référence sur laquelle le SRO est asservi, peuvent être réduites en contrôlant activement la cavité d’une part, et en utilisant des techniques de stabilisation en fréquence robustes, d’autre part.

The need to synchronise quantum information and communication protocols implies the use of quantum memories. Different physical systems are investigated nowadays, among which ions in crystals, cold atoms and atomic vapours. The most common protocol is based on the Electromagnetically Induced Transparency (EIT) phenomenon: a light pulse is engraved in the Raman coherence of both ground states of an atomic Lambda–type three-level system. Though it opens promising perspectives, with respect to efficiency, fidelity and storage time, this technique is, however, sensitive to dephasing effects such as magnetic field gradients.In this thesis, I first study the storage of classical light pulses via EIT in a room- temperature metastable helium vapor. The obtained experimental results agree with the numerical simulation of the complete Maxwell-Bloch equations of the system. In particular, the existence of an extra phase acquired by the retrieved pulse is demonstrated in the detuned configuration, which can be explained by the propagation of the signal beam in the medium. In the second part, I experimentally isolate, in the same system, a new storage protocol based on the Coherent Population Oscillation (CPO) phenomenon, which is by nature more robust than EIT to dephasing effects. The numerical simulations allow us to precisely analyse the mechanisms involved in a CPO memory and, in particular, the influence of the relative phase between the signal and coupling beams on the storage efficiencies., La nécessité de synchroniser les différentes étapes des protocoles d’information et de communication quantiques implique l’utilisation de mémoires quantiques. Différents systèmes physiques sont aujourd’hui explorés, parmi lesquels les ions en matrice cristalline, les atomes froids et les vapeurs atomiques. Le protocole de stockage le plus couramment utilisé se fonde sur le phénomène de Transparence Electromagnétiquement Induite (EIT) : une impulsion lumineuse est gravée dans la cohérence Raman entre les deux états fondamentaux d’un système atomique à trois niveaux en Lambda. Bien qu’elle ouvre des perspectives prometteuses, en termes d’efficacité, de fidélité et de temps de stockage, cette technique est néanmoins sensible aux effets déphasants, tels que des gradients de champs magnétiques.Dans ce mémoire, j’étudie tout d’abord le stockage d’impulsions lumineuses classiques par EIT dans une vapeur d’hélium métastable à température ambiante. Les résultats expérimentaux obtenus sont en accord avec les simulations numériques des équations de Maxwell-Bloch complètes du système et montrent notamment l’existence d’une phase supplémentaire acquise par l’impulsion restituée en configuration désaccordée. Cette phase s’explique par la propagation du faisceau sonde dans un milieu dispersif. Dans une deuxième partie, je mets expérimentalement en évidence, dans le même système, une nouvelle forme de stockage basée sur le phénomène d’Oscillations Cohérentes de Population (CPO), par nature plus robuste aux effets déphasants que l’EIT. Les simulations numériques permettent d’analyser plus précisément les mécanismes à l’œuvre dans une mémoire CPO et, notamment, l’influence de la phase relative entre les faisceaux signal et de couplage sur les efficacités de stockage.

International audience; The development of quantum Josephson circuits has created a strong expectation for reliable processing of quantum information. While this progress has already led to various proof-of-principle experiments on small-scale quantum systems, a major scaling step is required towards many-qubit protocols. Fault-tolerant computation with protected logical qubits usually comes at the expense of a significant overhead in the hardware. Each of the involved physical qubits still needs to satisfy the best achieved properties (coherence times, coupling strengths and tunability). Here, and in the aim of addressing alternative approaches to deal with these obstacles, I overview a series of recent theoretical proposals, and the experimental developments following these proposals, to enable a hardware-efficient paradigm for quantum memory protection and universal quantum computation.

L'apparition de la physique quantique à la fin du XIXe siècle a inspiré nombre d'applications basées sur des effets quantiques. La communication quantique, basée sur l'utilisation de "qubit" à l'instar des "bit" en communication classique, est l'une de ces applications. La valeur de ces qubits, pouvant être en superposition quantique, est impossible à copier parfaitement. Aujourd'hui, la cryptographie quantique est déjà la manière la plus confidentielle de communiquer. Néanmoins, la distance de communication est aujourd'hui fortement limitée par les pertes dans les fibres optiques. Afin de pallier à ce problème, il faut avoir recours à un répéteur quantique, un protocole basé sur l'intrication quantique et l'utilisation de mémoires quantiques. Pendant mon doctorat, j'ai travaillé sur la réalisation d'une telle mémoire dans un solide. Mon travail a notamment été d'étendre le temps de stockage, améliorer l'efficacité ou encore réduire le bruit généré par cette mémoire.

This article reviews efforts to build a new type of quantum device, which combines an ensemble of electronic spins with long coherence times, and a small-scale superconducting quantum processor. The goal is to store over long times arbitrary qubit states in orthogonal collective modes of the spin-ensemble, and to retrieve them on-demand. We first present the protocol devised for such a multi-mode quantum memory. We then describe a series of experimental results using NV center spins in diamond, which demonstrate its main building blocks: the transfer of arbitrary quantum states from a qubit into the spin ensemble, and the multi-mode retrieval of classical microwave pulses down to the single-photon level with a Hahn-echo like sequence. A reset of the spin memory is implemented in-between two successive sequences using optical repumping of the spins., Comment: 27 pages, 7 figures

This thesis work explores unique features offered by the Josephson mixer in the upcoming field of microwave quantum optics. We have demonstrated three major roles the Josephson mixer could play in emerging quantum information architectures. First, we have designed and fabricated a state-of-the-art practical quantum limited amplifier with the best quantum efficiency achieved to date. This tool is crucial for probing mesoscopic systems with microwaves, and in particular superconducting circuits. Hence, it has enabled us to realize successfully the stabilization of quantum trajectories of a superconducting qubit by measurement-based feedback. Second, we have shown how this circuit can generate and distribute entangled microwave radiations on separated transmission lines at different frequencies. Using two Josephson mixers, we have provided the first demonstration of entanglement between spatially separated propagating fields in the microwave domain, the so-called Einstein-Podolsky-Rosen states. Finally, we have used the Josephson mixer as a frequency converter. Acting as a switch, it is able to dynamically turn on and off the coupling to a low loss cavity. This feature allowed us to realize a quantum memory for microwaves. In combination with the ability to generate entanglement, we have measured the time-controlled generation, storage and on-demand release of an entangled state, which is a prerequisite for nodes of a quantum network., Cette thèse explore les caractéristiques uniques offertes par le mélangeur Josephson dans le domaine émergeant de l’optique quantique micro-onde. Nous avons démontré que le mixeur Josephson pouvait jouer trois rôles majeurs pour le traitement de l’information quantique. Nous avons conçu et fabriqué un amplificateur à la limite quantique avec la meilleure efficacité quantique démontrée à cette date. Cet outil crucial peut être utilisé pour la mesure microonde de systèmes mésoscopiques dont les circuits supraconducteurs. En particulier, cela nous a permis de réaliser avec succès la stabilisation de trajectoires d’un bit quantique supraconducteur par rétroaction basée sur la mesure. Ensuite, nous avons montré comment ce circuit peut générer et distribuer des radiations micro-ondes intriquées par conversion paramétrique spontanée sur des lignes de transmissions séparées dans l’espace et à des fréquences différentes. En utilisant deux mixeurs Josephson, nous avons fourni la première démonstration d’intrication non- locale entre deux champs propageants dans le domaine micro-onde, les états dits EPR. Finalement, nous avons utilisé le mixeur Josephson dans le mode de conversion de fréquence. Il se comporte alors comme un interrupteur, permettant d’ouvrir ou fermer dynamiquement l’accès à une cavité de haut facteur de qualité. L’ensemble constitue une mémoire quantique. En combinant cela avec la génération d’intrication, nous avons mesuré la distribution, le stockage et la libération sur demande d’un état intriqué. Ceci est un pré-requis pour jouer le rôle de nœud au sein d’un réseau quantique.

This work takes place in the context of research about quantum memories for light. The quantum information is stored in an atomic superposition state whose lifetime sets the maximum storage time. We are particularly interested in materials which are able to hold the light by resonant excitation of an absorption line, preserving the quantum information in a superposition state of the electronicfundamental.n Tm3+:YAG the information is stored in a nuclear spin state. However, the magnetic field which lifts the nuclear degeneracy generates different precession speeds of the spins. This destroys theinitial magnetization carrier of the information.In the first chapter of this thesis, a quantum analysis of the crystal is done. The following three chapters are devoted to different mechanisms to control the nuclear spins dephasing. There it ispossible to find different theoretical analysis which will be confirmed by a series of experimental measurements, including an extended description of the set-up. Finally, the last chapter presentsthe different techniques used to preserve the optical coherence. Promising experimental measurements are presented to extend the life time of the optical coherences.; Ce travail se place dans le contexte des recherches sur les mémoires quantiques pour la lumière. L’information quantique est stockée dans un état de superposition atomique, dont la durée de vie détermine le temps maximum de stockage.On s’intéresse particulièrement aux matériaux capables de capturer la lumière par excitation résonnante d’une raie d’absorption, puis de conserver l’information quantique dans un état de superposition du fondamental électronique.Dans Tm3+:YAG, l’information est enregistrée dans un état de spin nucléaire. Cependant le champ magnétique qui lève la dégénérescence nucléaire entraîne les différents spins à des vitesses de précession différentes, ce qui tend à détruire l’aimantation initiale, porteuse de l’information.Une étude quantique du cristal est réalisée lors du premier chapitre de ce manuscrit. Les trois chapitres suivants traitent des différents mécanismes conduisant au déphasage des spins nucléaires. On y trouvera différente analyses théoriques qui seront confirmées par un ensemble de résultats expérimentaux, ainsi qu’une description détaillée du dispositif expérimental. Enfin le dernier chapitre, prospectif, exploite les outils développés au cours de la thèse pour préserver les cohérences optiques. Il présente quelques résultats expérimentaux prometteurs sur l’allongement du temps de vie de ces cohérences optiques.

This work takes place in the context of research about quantum memories for light. The quantum information is stored in an atomic superposition state whose lifetime sets the maximum storage time. We are particularly interested in materials which are able to hold the light by resonant excitation of an absorption line, preserving the quantum information in a superposition state of the electronicfundamental.n Tm3+:YAG the information is stored in a nuclear spin state. However, the magnetic field which lifts the nuclear degeneracy generates different precession speeds of the spins. This destroys theinitial magnetization carrier of the information.In the first chapter of this thesis, a quantum analysis of the crystal is done. The following three chapters are devoted to different mechanisms to control the nuclear spins dephasing. There it ispossible to find different theoretical analysis which will be confirmed by a series of experimental measurements, including an extended description of the set-up. Finally, the last chapter presentsthe different techniques used to preserve the optical coherence. Promising experimental measurements are presented to extend the life time of the optical coherences.; Ce travail se place dans le contexte des recherches sur les mémoires quantiques pour la lumière. L’information quantique est stockée dans un état de superposition atomique, dont la durée de vie détermine le temps maximum de stockage.On s’intéresse particulièrement aux matériaux capables de capturer la lumière par excitation résonnante d’une raie d’absorption, puis de conserver l’information quantique dans un état de superposition du fondamental électronique.Dans Tm3+:YAG, l’information est enregistrée dans un état de spin nucléaire. Cependant le champ magnétique qui lève la dégénérescence nucléaire entraîne les différents spins à des vitesses de précession différentes, ce qui tend à détruire l’aimantation initiale, porteuse de l’information.Une étude quantique du cristal est réalisée lors du premier chapitre de ce manuscrit. Les trois chapitres suivants traitent des différents mécanismes conduisant au déphasage des spins nucléaires. On y trouvera différente analyses théoriques qui seront confirmées par un ensemble de résultats expérimentaux, ainsi qu’une description détaillée du dispositif expérimental. Enfin le dernier chapitre, prospectif, exploite les outils développés au cours de la thèse pour préserver les cohérences optiques. Il présente quelques résultats expérimentaux prometteurs sur l’allongement du temps de vie de ces cohérences optiques.

Quantum memories are an essential building block for quantum information science, and in particular for the implementation of quantum communications across long distances. A quantum memory is defined as a system capable of storing and retrieving quantum states on-demand, such as quantum bits (qubits). Atomic ensembles are good candidates for this purpose because they enables strong light-matter coupling in case of a large number of atoms. Moreover, the collective effect, enhanced in the regime of large optical depth, can lead to storage efficiency close to unity. Thus, in this thesis, a large magneto-optical trap for cesium atoms is used as a atomic medium in order to implement a quantum memory protocol based on electromagnetically induced transparency (EIT). First, the EIT phenomenon is studied through a criterion for the discrimination between the EIT and the Autler-Townes splitting models. We then report on the implementation of an EIT-based memory for photonic qubits encoded in orbital angular momentum (OAM) of light. A reversible memory for Laguerre-Gaussian modes is implemented, and we demonstrate that the optical memory preserves the handedness of the helical structure at the single-photon level. Then, a full quantum state tomography of the retrieved OAM encoded qubits is performed, giving fidelities above the classical bound. This showed that our optical memory operates in the quantum regime. Finally, we present the implementation of the so-called DLCZ protocol in our ensemble of cold atoms, enabling the generation of heralded single photons. A homodyne detection setup allows us to realize the quantum tomography of the created photonic state., Les mémoires quantiques sont un élément essentiel dans le domaine de l'information quantique, en particulier pour la mise en oeuvre de communications quantiques sur de longues distances. Une mémoire quantique a pour but de stocker un état quantique de la lumière, comme par exemple un bit quantique (qubit), et de le réémettre après un délai donné. Les ensembles atomiques sont de bons candidats pour construire de telles mémoires quantiques, car il est possible d'obtenir de fort couplage lumière-matière dans le cas d'un grand nombre d'atomes. De plus, la notion d'effet collectif, qui est renforcé pour de large profondeur optique, permet en principe une efficacité de stockage proche de l'unité. Ainsi, dans cette thèse, un piège magnéto-optique de césium à forte densité optique est utilisé pour l'implémentation d'un protocole de mémoire quantique basé sur la transparence induite électromagnétiquement (EIT). Tout d'abord, le phénomène EIT est étudié à travers un critère de discrimination entre les modèles d'EIT et de séparation Autler-Townes. Nous rapportons ensuite la mise en oeuvre d'une mémoire basée sur l'EIT pour des qubits photoniques encodés en moment angulaire orbital (OAM) de la lumière. Une mémoire réversible pour des modes de Laguerre-Gauss est réalisée, et nous démontrons que la mémoire optique préserve le sens de la structure hélicoïdale au niveau du photon unique. Ensuite, une tomographie quantique complète des états réémis est effectuée, donnant des fidélités au-dessus de la limite classique. Cela montre que notre mémoire optique fonctionne dans le régime quantique. Enfin, nous présentons la mise en oeuvre du protocole dit DLCZ dans notre ensemble d'atomes froids, permettant la génération de photons uniques annoncés. Une détection homodyne nous permet de réaliser la tomographie quantique de l'état photonique ainsi créé.

Revue des protocoles de stockage quantique; Traitement classique de l'information sur porteuse optique; Comprendre les matériaux et leur interaction avec la lumière.

Revue des protocoles de stockage quantique; Traitement classique de l'information sur porteuse optique; Comprendre les matériaux et leur interaction avec la lumière.

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.

The development of a quantum memory for light involves the most fundamental aspects of the light-matter interaction. To store the quantum information carried by light, the material has to be able to stay in a state of quantum superposition. The storage time is limited by the lifetime of this state, characterized by the coherence time. The first experiments involved the well-known cold atomic vapors. More recently, Rare Earth Ions doped Crystals (REIC) have drawn attention because of their remarkably long coherence time, combined with a large interaction bandwidth. Specific protocols have been proposed to take the most out of these properties. We have opted for a promising spin-off of the well-known photon echo, named the Atomic Frequency Comb (AFC, proposed in 2008), based on the transmission of the incoming field through a spectrally periodic absorption profile. The first chapters of this manuscript present this protocol and our works aimed at improving its efficiency (the probability for capturing and retrieving the incoming information), increasing its bandwidth and its multiplexing capacity and measuring its noise. The following chapters present a new protocol, proposed in our group during this thesis, and called Revival Of Silenced Echo (ROSE). This protocol, similar to the photon echo, have been demonstrated and characterized experimentally. It seems really promising in terms of efficiency, bandwidth and noise.; La réalisation d’une mémoire quantique pour la lumière met en jeu les aspects les plus fondamentaux de l’interaction matière-rayonnement. Pour capturer l’information quantique portée par la lumière, le matériau doit être capable de se maintenir dans un état de superposition quantique. Le temps de stockage est limité par la durée de vie de cet état, caractérisée par le temps de cohérence. Les premières expériences ont été réalisées dans des vapeurs atomiques froides, bien connues. Plus récemment, les ions de terres rares en matrice cristalline (REIC) ont attiré l’attention par leurs long temps de cohérence, associés à de larges bandes passantes d’interaction. Pour exploiter ces bonnes propriétés, des protocoles spécifiques ont été proposés. Nous nous sommes tournés vers un dérivé prometteur de l’écho de photon, le Peigne Atomique de Fréquences (AFC, proposé en 2008), fondé sur la transmission du champ incident à travers un profil d’absorption spectralement périodique. Les premiers chapitres de ce manuscrit présentent ce protocole et les travaux effectués durant cette thèse pour en améliorer l’efficacité (i.e. la probabilité de capter et de restituer l’information incidente), en augmenter la bande passante et la capacité de multiplexage et en mesurer le bruit. Les chapitres suivants présentent un nouveau protocole, proposé dans notre groupe durant cette thèse, et baptisé ROSE (Revival Of Silenced Echo). Ce protocole, très proche de l’écho de photon, a été démontré et caractérisé expérimentalement. Il semble très prometteur en termes d’efficacité, de bande passante et de bruit.

Présentation Orale; En Communication Quantique, la distribution fibrée de l'information quantique entre deux sites distants passe par la construction de véritables réseaux quantiques. Dans ce contexte, le stockage cohérent, efficace et réversible d'états quantiques de la lumière dans des mémoires atomiques représente actuellement un enjeu majeur. Nous présentons l'élaboration d'une mémoire quantique dans un ensemble d'atomes froids de rubidium et nous décrivons le dispositif expérimental générant ce support de stockage. Nous montrons qu'un système de double piège magnéto-optique permet de créer un nuage d'atomes froids cohérent et dans un environnement très pur. Les atomes sont refroidis à une température T = (20±5) μK, dans un piège dont le temps de vie est ∼ 20 s. L'épaisseur optique du nuage est de 0,47 ce qui correspond à un nombre d'atomes piégés N = (1, 3 ± 0, 3) × 106 atomes et à une densité atomique n0 = (1, 8 ± 0, 2) × 109 cm−3 . Enfin, nous présentons le protocole de stockage visé afin de transférer des états quantiques photoniques sur cet ensemble d'atomes froids.

Because it allows a strong, controllable, and coherent light-matter interaction, electromagnetically induced transparency (EIT) is nowadays used in a wide range of physical phenomena. However, in the D2 line of 133Cs, and in the presence of inhomogeneous broadening, the experimentally measured transparency is very weak. We thus investigate theoretically a model that takes into account the multiple excited levels of the line and identify the influence of each of them on the EIT. The study concludes that some particular velocity classes of atoms are responsible for the loss of the EIT. We then propose an original method that permits to restore the transparency by velocity distribution shaping. Finally, the expected increase of the transparency is experimentally demonstrated. Then, two EIT-based quantum memory experiments are presented. In the first one, two orthogonal quadratures of a single-sideband were stored without excess noise in a hot vapor of Cs. In the second one, the storage of a coherent state in the single photon regime in a cloud of cold atoms is obtained. In order to prepare the storage of non classical light, the lock of the homodyne measurement in a fixed quadrature of a squeezed state is realized. This experiment should lead to the demonstration of on demand entanglement of two atomic ensembles., Parce qu'il permet une interaction lumière-matière forte, contrôlable, et cohérente, le phénomène de transparence induite électromagnétiquement (EIT) trouve aujourd'hui des applications dans un champ très large de la physique. Cependant, sur la raie D2 du 133Cs, la transparence expérimentalement mesurée est très faible en présence d'élargissement inhomogène. Nous menons donc une étude théorique qui prend en compte les multiples niveaux excités de la raie et précise leur influence sur l'EIT. Elle conclut à l'existence de classes de vitesses atomiques particulières, responsables de la diminution de la transparence. Nous proposons alors une méthode originale permettant de restaurer l'EIT en creusant localement la distribution de vitesses. L'augmentation ainsi prévue de la transparence est ensuite vérifiée expérimentalement. Deux expériences de mémoire par EIT sont ensuite présentées. Dans la première, deux quadratures orthogonales d'une bande latérale unique sont stockées dans une vapeur chaude de cesium, puis relues sans mesurer d'excès de bruit. Dans la seconde, le stockage d'un état cohérent en régime de photon unique est obtenu dans un nuage d'atomes froids. Afin de préparer le stockage de lumière non classique, l'asservissement de la mesure d'un état comprimé sur une quadrature fixe a été réalisé. Ce montage doit permettre de démontrer l'intrication déterministe de deux ensembles atomiques.

Rare earth ions doped crystals, when cooled at very low temperature, exhibit outstanding properties for optically-carried analogical signal processing. The absorption spectral broadening can reach several hundred of Gigahertz, while the homogeneous width of each individual ion does no exceed a few kilohertz. With the help of optical pumping, one may modify the absorption profile at will. The resulting programmable filter simultaneously offers a very large bandwidth, given by the inhomogeneous width, and a very good resolution, fixed by the homogeneous width. Narrow absorption line is related to long lifetime quantum superposition. We contemplate the programmable filter properties, keeping in mind this coherent transient picture, specifically related to photon echoes. In the first part of the dissertation, the programmable filter is programmed as a dispersive element. This gives access to dispersion rate values out of reach of conventional optical devices, such as optical fibers. We use the filter as a temporal lens component, with an eye to generating arbitrary waveforms. Thereby, we gain several orders of magnitude against conventional optical devices in terms of time x bandwidth product. After taking advantage of photon echoes in the linear filtering context, we capitalize on their strongly non-linear properties in the second part of the dissertation. This time we want to capture a very weak optical signal, to convert it into an atomic superposition state, and to restore it in its initial state of light. Faithful retrieval of the incoming signal relies on the elimination of spontaneous and stimulated emission. To this end, we propose a new protocol we have named « Revival Of Silenced Echo » (ROSE)., Les ions de terres rares en matrice cristalline, refroidis à très basse température, offrent des propriétés remarquables pour le traitement analogique du signal sur porteuse optique. L’élargissement inhomogène du spectre d’absorption peut en effet atteindre plusieurs centaines de gigahertz alors que la largeur homogène des raies d’absorption des ions individuels ne dépasse pas quelques kilohertz. Par pompage optique il est alors possible de modifier à volonté le profil du spectre d’absorption. On dispose ainsi d’un filtre programmable présentant à la fois une très grande bande passante, donnée par la largeur inhomogène, et une excellente résolution, fixée par la largeur homogène. Une raie d’absorption étroite correspond à un état de superposition quantique de longue durée de vie. C’est sous cet angle, celui des transitoires cohérents, et spécifiquement celui des échos de photons que nous abordons les propriétés du filtre programmable. Dans la première partie de la thèse, le filtre est programmé comme un élément dispersif. Il permet d’atteindre des taux de dispersion inaccessibles aux dispositifs optiques conventionnels, tels que les fibres optiques. Nous l’utilisons comme un composant de lentille temporelle, en vue de produire des signaux de forme arbitraire. Par rapport à des dispositifs d’optique conventionnels, on gagne plusieurs ordres de grandeurs en termes de produit temps x bande passante. Après avoir exploité l’écho de photon dans un contexte de filtrage linéaire, nous tirons parti de ses propriétés de très forte non-linéarité dans la seconde partie de la thèse. Cette fois nous cherchons à capturer un signal lumineux de très faible intensité, à le convertir en état de superposition atomique, puis à le restituer dans son état lumineux initial. Cela suppose en particulier d’empêcher les effets d’émission spontanée ou stimulé qui nuisent à la fidélité de la restitution. Pour ce faire, nous proposons un nouveau protocole que nous avons appelé « Revival Of Silenced Echo » (ROSE)

Rare earth ions doped crystals, when cooled at very low temperature, exhibit outstanding properties for optically-carried analogical signal processing. The absorption spectral broadening can reach several hundred of Gigahertz, while the homogeneous width of each individual ion does no exceed a few kilohertz. With the help of optical pumping, one may modify the absorption profile at will. The resulting programmable filter simultaneously offers a very large bandwidth, given by the inhomogeneous width, and a very good resolution, fixed by the homogeneous width. Narrow absorption line is related to long lifetime quantum superposition. We contemplate the programmable filter properties, keeping in mind this coherent transient picture, specifically related to photon echoes. In the first part of the dissertation, the programmable filter is programmed as a dispersive element. This gives access to dispersion rate values out of reach of conventional optical devices, such as optical fibers. We use the filter as a temporal lens component, with an eye to generating arbitrary waveforms. Thereby, we gain several orders of magnitude against conventional optical devices in terms of time x bandwidth product. After taking advantage of photon echoes in the linear filtering context, we capitalize on their strongly non-linear properties in the second part of the dissertation. This time we want to capture a very weak optical signal, to convert it into an atomic superposition state, and to restore it in its initial state of light. Faithful retrieval of the incoming signal relies on the elimination of spontaneous and stimulated emission. To this end, we propose a new protocol we have named « Revival Of Silenced Echo » (ROSE).; Les ions de terres rares en matrice cristalline, refroidis à très basse température, offrent des propriétés remarquables pour le traitement analogique du signal sur porteuse optique. L’élargissement inhomogène du spectre d’absorption peut en effet atteindre plusieurs centaines de gigahertz alors que la largeur homogène des raies d’absorption des ions individuels ne dépasse pas quelques kilohertz. Par pompage optique il est alors possible de modifier à volonté le profil du spectre d’absorption. On dispose ainsi d’un filtre programmable présentant à la fois une très grande bande passante, donnée par la largeur inhomogène, et une excellente résolution, fixée par la largeur homogène. Une raie d’absorption étroite correspond à un état de superposition quantique de longue durée de vie. C’est sous cet angle, celui des transitoires cohérents, et spécifiquement celui des échos de photons que nous abordons les propriétés du filtre programmable. Dans la première partie de la thèse, le filtre est programmé comme un élément dispersif. Il permet d’atteindre des taux de dispersion inaccessibles aux dispositifs optiques conventionnels, tels que les fibres optiques. Nous l’utilisons comme un composant de lentille temporelle, en vue de produire des signaux de forme arbitraire. Par rapport à des dispositifs d’optique conventionnels, on gagne plusieurs ordres de grandeurs en termes de produit temps x bande passante. Après avoir exploité l’écho de photon dans un contexte de filtrage linéaire, nous tirons parti de ses propriétés de très forte non-linéarité dans la seconde partie de la thèse. Cette fois nous cherchons à capturer un signal lumineux de très faible intensité, à le convertir en état de superposition atomique, puis à le restituer dans son état lumineux initial. Cela suppose en particulier d’empêcher les effets d’émission spontanée ou stimulé qui nuisent à la fidélité de la restitution. Pour ce faire, nous proposons un nouveau protocole que nous avons appelé « Revival Of Silenced Echo » (ROSE)

Many laboratories work on the development of quantum memories, a key element of quantum information systems. The quantum memories for light in particular should play an important role in quantum communication networks over long distances. A quantum memory consists in a set of atoms on which one transposes the state of the light signal, the memory must be able to save this state for a sufficiently long time, then return it faithfully. To date, the effort has focused on protocols related to electromagnetically induced transparency (EIT), implemented in clouds of atoms cooled by laser. I work on an alternative system, the rare earth ions in crystalline matrix (TRMC). In this system, atoms are stricltly motionless. Moreover, the lifetime of quantum superposition states, carrying the information is very long at low temperatures. The inhomogeneous broadening of optical transitions, however, clearly distinguishes the TRMC from laser cooled atoms. Taking advantage of this feature, I propose an original storage protocol. I explore the theoretical and experimental sides of this new protocol.; De nombreux laboratoires travaillent à la mise au point de mémoires quantiques, élément clef des systèmes d'information quantique de l'avenir. Les mémoires quantiques pour la lumière devraient en particulier jouer un rôle important dans les réseaux de télécommunications quantiques à grande distance. Constituée d'un ensemble d'atomes sur lequel on transpose l'état du signal lumineux, la mémoire doit être capable de sauvegarder cet état pendant un temps suffisamment long, puis de le restituer avec efficacité et fidélité. A ce jour, l'effort a surtout porté sur des protocoles liés à la Transparence Induite Electromagnétiquement (EIT), mis en oeuvre dans des nuages d'atomes refroidis par laser. Mon travail porte sur un système alternatif, les ions de terres rares en matrice cristalline (TRMC). Ces matériaux offrent une immobilité plus grande que les atomes froids. Par ailleurs, la durée de vie des états de superposition quantique, porteur de l'information stockée, y est très longue à basse température. L'élargissement inhomogène des transitions optiques distingue cependant nettement les TRMC des atomes refroidis par laser. Tirant parti de cette caractéristique, je propose un protocole de stockage original que j'explore sur le plan théorique et expérimental.

Many laboratories work on the development of quantum memories, a key element of quantum information systems. The quantum memories for light in particular should play an important role in quantum communication networks over long distances. A quantum memory consists in a set of atoms on which one transposes the state of the light signal, the memory must be able to save this state for a sufficiently long time, then return it faithfully. To date, the effort has focused on protocols related to electromagnetically induced transparency (EIT), implemented in clouds of atoms cooled by laser. I work on an alternative system, the rare earth ions in crystalline matrix (TRMC). In this system, atoms are stricltly motionless. Moreover, the lifetime of quantum superposition states, carrying the information is very long at low temperatures. The inhomogeneous broadening of optical transitions, however, clearly distinguishes the TRMC from laser cooled atoms. Taking advantage of this feature, I propose an original storage protocol. I explore the theoretical and experimental sides of this new protocol., De nombreux laboratoires travaillent à la mise au point de mémoires quantiques, élément clef des systèmes d'information quantique de l'avenir. Les mémoires quantiques pour la lumière devraient en particulier jouer un rôle important dans les réseaux de télécommunications quantiques à grande distance. Constituée d'un ensemble d'atomes sur lequel on transpose l'état du signal lumineux, la mémoire doit être capable de sauvegarder cet état pendant un temps suffisamment long, puis de le restituer avec efficacité et fidélité. A ce jour, l'effort a surtout porté sur des protocoles liés à la Transparence Induite Electromagnétiquement (EIT), mis en oeuvre dans des nuages d'atomes refroidis par laser. Mon travail porte sur un système alternatif, les ions de terres rares en matrice cristalline (TRMC). Ces matériaux offrent une immobilité plus grande que les atomes froids. Par ailleurs, la durée de vie des états de superposition quantique, porteur de l'information stockée, y est très longue à basse température. L'élargissement inhomogène des transitions optiques distingue cependant nettement les TRMC des atomes refroidis par laser. Tirant parti de cette caractéristique, je propose un protocole de stockage original que j'explore sur le plan théorique et expérimental.

This Phd work aims at developing an atomic medium composed of trapped ions, for quantum optics experiments and the achievement of a quantum memory. Such a memory is essential to realize long range quantum communication networks. Among the important conditions to implement memory protocols, the atomic medium should be both well isolated from the surrounding perturbations and also strongly coupled with light. In the particular case of trapped ions, the sample can be particularly well preserved from perturbations and the coupling with light depends on its low temperature and its high density. In these conditions, the ions cloud display a crystalline structure. The work contains an introduction to the quantum information field, to several memory protocols and also to the basic tools of trapped ions physics. Then experimental developments and results are presented. The implementation of the Doppler laser cooling method and the realization of an ion trap lead to prove ion confinement and cooling. An original method of ionization based on the simultaneous absorption of two photons was achieved thanks to the development of a pulsed laser. The realization of a second ion trap allows to reach the crystalline regime, using the photo-ionization method. crystals containing a few or a large number of ions were observed and characterized. The relevant parameters ruling the density of the crystal were clearly identified and the first measures of the interaction between the atomic sample and a probe beam were carried out., Le domaine de l'information quantique tire partie des lois de la mécanique quantique pour élaborer des protocoles de traitement de l'information originaux. Des réseaux qui transportent ce type d'information ont déjà été démontrés mais leur portée est cependant limitée à une centaine de kilomètres à cause des pertes en ligne. Pour franchir cette limite l'élément clef à développer est une mémoire quantique, c'est à dire un milieu atomique capable de stocker un état quantique et dont les performances reposent conjointement sur un excellent couplage avec la lumière (pour les phases d'écriture ou de lecture) et un temps de cohérence important (pour la phase de stockage). Les ions piégés constituent un candidat intéressant pour l'implémentation d'une mémoire quantique, notamment car ils peuvent présenter d'excellentes propriétés d'isolation par rapport à leur environnement. La difficulté à réaliser une mémoire quantique avec des ions piégés tient en particulier à l'obtention d'un couplage important entre l'ensemble d'ions et la lumière, c'est à dire l'obtention d'un nuage atomique le plus dense et froid possible. Durant le travail de thèse, nous avons développé un ensemble expérimental capable de confiner, refroidir et observer plusieurs millions d'ions. Une méthode originale de chargement du piège fondée sur l'absorption simultanée de deux photons a été développée, nous permettant de limiter l'énergie initiale d'un ion et la pollution de l'environnement d'un tel nuage. Un piège de Paul linéaire de dimensions centimétriques a été dessiné et fabriqué au laboratoire pour confiner les ions et faciliter le régime de très faible température. En utilisant une technique de refroidissement laser, nous avons atteint ce régime dans lequel les ions adoptent une structure spatiale périodique, le cristal de Wigner. Cette structure a été observée dans des chaînes contenant quelques ions et dans des nuages dont la population dépasse le million. Les paramètres pertinents qui gouvernent la densité et la stabilité de ces cristaux ont été identifiés. Ces travaux sont une étape très encourageante pour l'obtention d'un couplage important entre les ions et la lumière, et la mise en oeuvre d'un protocole de mémoire quantique.

Most optical quantum storage protocols, require that quantum information be transferred from photons to long-lived atomic superposition states. The basic ingredient to achieve this transfer is three-level Lambda system, where two ground state sublevels are optically coupled to a common upper level. The optical excitation is then stored as a superposition state of the two ground state sublevels. Because they offer long optical and hyperfine coherence lifetimes, rare earth ion-doped crystals are promising candidates for these applications. This thesis is devoted to the study of the thulium ion, a non-Kramers rare earth ion, as an alternative to Pr and Eu ions that have long been considered as the only possible candidates for quantum memory demonstration. With a 1/2 nuclear spin, thulium exhibits a simple nuclear Zeeman structure, where the level spacing is easily controlled with an external magnetic field. In addition, the 793 nm absorption wavelength of Tm lies in the range of semi-conductor laser sources, that are easy to stabilize below 1kHz. In this work, we have built a three-level Lambda system in Tm:YAG. We have also optically manipulated a nuclear spin superposition state with three-level coherent processes such as Raman echo and STIRAP. The results show that thulium is a good candidate for the demonstration of some quantum memory, La plupart des protocoles de stockage quantique de l'information reposent sur l'enregistrement d'un signal lumineux dans une superposition d'états de longue durée de vie. L'élément clé pour réaliser un tel enregistrement est un système atomique à 3 niveaux en Lambda, où deux sous-niveaux fondamentaux sont couplés optiquement à un même niveau supérieur. L'excitation optique est alors stockée dans une superposition des deux sous-niveaux fondamentaux. Les cristaux dopés aux ions de terre rare sont des candidats prometteurs pour ces applications, car ils présentent des durées de vie des cohérences optiques et hyperfines particulièrement longues. Cette thèse est consacrée à l'étude de l'ion thulium, un ion de terre rare non-Kramers, comme alternative aux ions Pr et Eu qui ont longtemps été considérés comme étant les seuls candidats possibles pour la réalisation d'une mémoire quantique. Grâce à son spin nucléaire 1/2, le thulium présente une structure de sous-niveaux Zeeman nucléaires particulièrement simple, dont l'espacement peut être aisément contrôlé à l'aide d'un champ magnétique externe. De plus, la longueur d'onde d'absorption du thulium à 793 nm est accessible aux lasers à semi-conducteurs qui peuvent être facilement stabilisés en dessous du kHz. Au cours de cette thèse, nous avons construit un système à 3 niveaux en Lambda dans le Tm:YAG. Nous avons également mis en oeuvre des processus cohérents permettant de manipuler optiquement un état de superposition de spin nucléaire, comme les échos Raman et le STIRAP. L'ensemble des résultats obtenus montrent que le thulium est un bon candidat pour la démonstration de certains protocoles de mémoire quantique.

Most optical quantum storage protocols, require that quantum information be transferred from photons to long-lived atomic superposition states. The basic ingredient to achieve this transfer is three-level Lambda system, where two ground state sublevels are optically coupled to a common upper level. The optical excitation is then stored as a superposition state of the two ground state sublevels. Because they offer long optical and hyperfine coherence lifetimes, rare earth ion-doped crystals are promising candidates for these applications. This thesis is devoted to the study of the thulium ion, a non-Kramers rare earth ion, as an alternative to Pr and Eu ions that have long been considered as the only possible candidates for quantum memory demonstration. With a 1/2 nuclear spin, thulium exhibits a simple nuclear Zeeman structure, where the level spacing is easily controlled with an external magnetic field. In addition, the 793 nm absorption wavelength of Tm lies in the range of semi-conductor laser sources, that are easy to stabilize below 1kHz. In this work, we have built a three-level Lambda system in Tm:YAG. We have also optically manipulated a nuclear spin superposition state with three-level coherent processes such as Raman echo and STIRAP. The results show that thulium is a good candidate for the demonstration of some quantum memory; La plupart des protocoles de stockage quantique de l'information reposent sur l'enregistrement d'un signal lumineux dans une superposition d'états de longue durée de vie. L'élément clé pour réaliser un tel enregistrement est un système atomique à 3 niveaux en Lambda, où deux sous-niveaux fondamentaux sont couplés optiquement à un même niveau supérieur. L'excitation optique est alors stockée dans une superposition des deux sous-niveaux fondamentaux. Les cristaux dopés aux ions de terre rare sont des candidats prometteurs pour ces applications, car ils présentent des durées de vie des cohérences optiques et hyperfines particulièrement longues. Cette thèse est consacrée à l'étude de l'ion thulium, un ion de terre rare non-Kramers, comme alternative aux ions Pr et Eu qui ont longtemps été considérés comme étant les seuls candidats possibles pour la réalisation d'une mémoire quantique. Grâce à son spin nucléaire 1/2, le thulium présente une structure de sous-niveaux Zeeman nucléaires particulièrement simple, dont l'espacement peut être aisément contrôlé à l'aide d'un champ magnétique externe. De plus, la longueur d'onde d'absorption du thulium à 793 nm est accessible aux lasers à semi-conducteurs qui peuvent être facilement stabilisés en dessous du kHz. Au cours de cette thèse, nous avons construit un système à 3 niveaux en Lambda dans le Tm:YAG. Nous avons également mis en oeuvre des processus cohérents permettant de manipuler optiquement un état de superposition de spin nucléaire, comme les échos Raman et le STIRAP. L'ensemble des résultats obtenus montrent que le thulium est un bon candidat pour la démonstration de certains protocoles de mémoire quantique.

We study the generation, storage andmanipulation of optical and atomic non classical states using theinteraction between cold atoms and optical fields in cavity.After experimentally generating squeezed and entangled light stateswhen the atoms behave as a Kerr medium, we theoretically study thepossibility to produce such states in three-level systems, as wellas to reduce the atomic quantum fluctuations below the standardquantum limit.We then present several schemes to transfer and store non classicalstates into an atomic ensemble collective spin in order to realize acold atom quantum memory.As applications to quantum information, we study the entanglementand teleportation of atomic ensembles, the realization of long-livedquantum memories with 3He nuclear spins and the entanglement ofmechanical oscillators., Nous étudions la génération, le stockage et lamanipulation d'états non classiques de la lumière et des atomesgrâce à l'interaction entre un nuage d'atomes froids et de champsoptiques en cavité.Après avoir généré expérimentalement des états comprimés etintriqués du champ lorsque les atomes se comportent comme un milieuKerr, nous étudions théoriquement la possibilité de générer de telsétats dans des systèmes à trois niveaux, ainsi que la réduction desfluctuations quantiques atomiques sous le bruit quantique standard.Nous présentons ensuite plusieurs schémas pour transférer et stockerles fluctuations d'états non classiques du champ au spin collectifd'un ensemble atomique afin de réaliser une mémoire quantique àatomes froids.Comme applications pour l'information quantique nous étudionsl'intrication et la téléportation d'ensemble atomique, laréalisation de mémoires quantiques de longue durée de vie avec desspins nucléaires d'3He et l'intrication d'oscillateursmécaniques.

The aim of this thesis work is to implement a high efficiency quantum memory as part of a generation protocol for quantum states of light, targeting an increase of the generation rate by several orders of magnitude. We show how such an architecture can be used in practice for the generation of key states for quantum optics, as the "optical Schrödinger cat states" (quantum superposition of coherent states with opposite phases) which are an elementary piece for numerous protocols in the field of quantum information. We implement this memory with a high finesse optical cavity, an active device allowing to store/extract a light pulse on demand, and we feed it with single photons from a high-rate source in a synchronized optical cavity. The use of such memory requires a complete knowledge of the physical parameters, such as the phase of the generated quantum states. This led us to develop accurate diagnostic tools. This constitutes a first step towards the real-time manipulation of states encoded on free-propagating light.; 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.