Considérons un système quantique constitué de deux sous-systèmes : on dit qu'il est dans un état intriqué s'il existe des corrélations quantiques entre les états de ces derniers. La compréhension et la mise en œuvre d'états intriqués ont de nombreuses applications (métrologie quantique, étude des systèmes fortement corrélés, traitement quantique de l’information, etc.) et constituent le contexte général de ce travail de thèse.

Plus en détail, nous démontrons la réalisation d'un état intriqué de deux atomes neutres piégés indépendamment. Pour cela, nous exploitons le phénomène de blocage de Rydberg : lorsqu’on essaie d’exciter simultanément deux atomes séparés de quelques micromètres vers un état de Rydberg donné, la forte interaction entre atomes de Rydberg peut empêcher cette excitation simultanée. Dans ce cas, seul un des deux atomes est excité et l'on génère ainsi des corrélations quantiques entre les états des deux atomes, c'est-à-dire de l'intrication.

Dans notre expérience deux atomes de rubidium 87 dans l'état fondamental 5S1/2 sont piégés chacun dans une pince optique microscopique, à une distance relative de 4 micromètres. En réalisant des transitions entre l’état 5S1/2 et l'état de Rydberg 58D3/2 par des transitions à deux photons, nous obtenons un état intriqué des deux atomes dans les sous-niveaux 5S1/2 , F=1, mF =1 et 5S1/2 , F=2, mF =2. Afin de quantifier l’intrication, nous mesurons la fidélité par rapport à l'état-cible en réalisant des transitions Raman entre ces deux sous-niveaux. La fidélité des paires d'atomes présentes à la fin de l'expérience est supérieure à la valeur seuil de 0,5, prouvant la création d'un état intriqué.

La cryptographie quantique permet la distribution d’une clé de cryptage partagée entre deux interlocuteurs distants, tout en assurant la sécurité inconditionnelle de cette distribution grâce aux lois de la physique quantique et de la théorie de l’information. Nous avons réalisé un démonstrateur complet de cryptographie quantique, fondé sur un protocole pour lequel l’information est codée sur des variables continues de la lumière, à savoir les quadratures du champ électromagnétique. Le système est exclusivement constitué de composants standard de l’industrie des télécommunications, qui permettent à Alice de générer les états cohérents de la lumière puis de les moduler, et à Bob de mesurer ces états grâce à une détection homodyne fonctionnant en régime impulsionnel et limitée par le bruit de photon. Nous avons par ailleurs développé un logiciel complet de gestion de la distribution de clé, qui assure d’une part le bon fonctionnement de la transmission quantique et les rétrocontrôles nécessaires pour la stabilité de celle-ci, et qui permet d’autre part l’extraction d’une clé secrète à partir des données partagées après la transmission quantique. Le système a été intégré dans des boîtiers rackables, afin d’effectuer une démonstration en vraie grandeur dans le cadre d’un réseau de cryptographie quantique, mis en place sur des fibres installées dans la ville de Vienne (Autriche). Lors de cette démonstration, notre système a fonctionné en continu pendant 57 heures, à un taux moyen de 8 kbit/s. Enfin, nous avons exploré différentes possibilités d’amélioration du système, à travers un nouveau protocole de cryptographie et l’utilisation d’amplificateurs optiques.

La lumière joue un grand rôle dans le domaine de l'information quantique, pour transmettre des messages secrèts avec une sécurité absolue, effectuer certains calculs plus rapidement qu'un ordinateur classique, ou encore réaliser des mesures de haute précision.

Ce travail de thèse porte sur la manipulation d’états non-classiques de la lumière, en vue d’applications à l’information quantique. Nous montrons que les outils théoriques et expérimentaux propres à une approche discrète, où la lumière est décrite comme un ensemble de photons, peuvent être efficacement combinés avec une approche continue, où l’on s’intéresse aux quadratures de l’onde électromagnétique. On peut ainsi créer, transformer et analyser des états quantiques complexes.

Nous avons 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 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 initialement 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.