Dissertations / Theses on the topic 'Portes quantiques'

La première partie de cette thèse est consacrée à l'élaboration théorique de
processus adiabatiques permettant l'implémentation de portes logiques
quantiques, les constituants élémentaires des ordinateurs quantiques, par
l'interaction de champs laser impulsionnels avec des atomes. L'utilisation de
techniques adiabatiques permet des implémentations robustes, i.e. insensibles
aux fluctuations des paramètres expérimentaux. Les processus décrits dans cette
thèse ne nécessitent que le contrôle précis des polarisations et des phases
relatives des champs lasers. Ces processus permettent l'implémentation d'un
ensemble universel de portes quantiques, autorisant l'implémentation de toute
autre porte quantique par combinaisons.
La seconde partie de cette thèse concerne les effets de la décohérence par
déphasage sur le passage adiabatique. La formule de probabilité de transition
d'un système à deux niveaux tenant compte de ces effets décohérents est établie.
Cette formule est valable dans les différents régimes, diabatique et
adiabatique, et permet d'établir les paramètres de trajectoires elliptiques
optimisant le transfert de population.

Le contrôle quantique constitue un enjeu majeur de la Physique contemporaine. Après un bref tour d'horizon du domaine, nous présentons une méthode, appelée contrôle non holonôme, qui permet d'imposer à système quantique quelconque une évolution unitaire arbitrairement choisie. Dans le contexte de l'Informatique Quantique, cette technique peut être utilisée pour réaliser n'importe quelle porte quantique : à titre d'exemple, nous montrons comment appliquer une porte CNOT à un système de deux atomes de Césium froids en interaction.
L'interaction de l'ordinateur avec son environnement risque de compromettre sa fiabilité. Le développement récent de la correction d'erreurs quantiques, inspirée des techniques classiques, suggère néanmoins que ce danger peut être évité. Après une présentation succincte du cadre général de la correction d'erreurs, nous proposons une méthode de protection de l'information fondée sur l'effet Zénon. Cette méthode est ensuite appliquée à un atome de Rubidium.

En information quantique, un encodage sur les degrés de liberté temps et fréquence donne accès à un espace de Hilbert de grande dimension pour les états photoniques ce qui autorise le traitement en parallèle d'un grand nombre de qubits voire de qudits. C'est dans ce cadre que se situe cette thèse sur la génération et la manipulation d'états quantiques photoniques aux longueurs d'onde télécom. Nous présentons trois réalisations. La première est la génération efficace de paires de photons par processus non-linéaire du second et du troisième ordre dans des sources intégrées innovantes : un guide en niobate de lithium sur isolant, en couche mince et à inversion de domaines periodique, et un micro-résonateur en silicium sur isolant possédant un intervalle spectral libre de 21 GHz. La deuxième est le développement de concepts, de modèles et d'optimisations numériques pour la manipulation de qubits et qudits photoniques dans les espaces temps fréquence avec des éléments linéaires. Nous utilisons des filtres programmables (PF) et des modulateurs de phase électro-optiques (EOM). Nous comparons les performances théoriques de portes à 1 qubit pour deux configurations de composants [EOM-PF-EOM] et [PF-EOM-PF] dans les deux types d'encodage temps et fréquence. La troisième est la démonstration expérimentale d'une telle manipulation de qubits fréquentiels issus du microrésonateur en Silicium. Nous utilisons la configuration [EOM-PF-EOM] pour implémenter une porte quantique reconfigurable et accordable. Un seul paramètre variable permet de passer d'une porte identité à une porte Hadamard, ainsi qu'à un continuum de portes intermédiaires. Nous démontrons la parallélisation de 34 de ces portes appliquées à 17 états à deux qubits intriqués en fréquence générés par le résonateur. Nous utilisons ensuite ces portes pour réaliser la tomographie quantique des états intriqués et pour mettre en oeuvre un protocole de distribution de clef quantique basé sur l'intrication des deux photons en fréquence. Nous faisons finalement la démonstration inédite d'un réseau multi-utilisateur sans nœuds sécurisés en encodage fréquentiel. Cette expérience constitue une preuve de principe pour la distribution de clé quantique dans le domaine fréquentiel avec un débit de 2 bits par seconde en simultané pour chacune des paires d'utilisateurs dans un réseau de 5 utilisateurs
In quantum information, encoding in time and frequency degrees of freedom gives access to a high-dimensional Hilbert space for photonic states, enabling parallel processing of a large number of qubits or even qudits. This is the scope of our work on the generation and manipulation of photonic quantum states at telecom wavelengths with three main achievements. The first one is the efficient generation of photon pairs by second and third-order nonlinear processes in innovative integrated sources: a thin-film, periodically-poled lithium niobate-on-insulator waveguide, and a silicon-on-insulator micro-resonator with a free spectral range of 21 GHz. The second one is the development of concepts, models, and numerical optimizations for the manipulation of photonic qubits and qudits in time-frequency spaces with linear devices. We use programmable filters (PF) and electro-optical phase modulators (EOM). We compare the theoretical performance of 1-qubit gates for two configurations [EOM-PF-EOM] and [PF-EOM-PF] in both time and frequency encoding. The third one is the experimental demonstration of such manipulation of frequency qubits from the silicon microresonator. We use the [EOM-PF-EOM] configuration to implement a reconfigurable and tunable quantum gate. A single tunable parameter is used to go from an identity gate to a Hadamard gate, as well as to a continuum of intermediate gates. We then use these gates to perform quantum tomography of entangled states and to implement a quantum key distribution protocol based on two-photon frequency entanglement. Finally, we demonstrate a frequency-encoded multi-user network without trusted nodes. This experiment constitutes a proof of principle for quantum key distribution in the frequency domain at a rate of 2 bits per second simultaneously for each pair of users in a 5-user network

Les atomes neutres sont récemment apparus comme une plate-forme compétitive pour l'informatique quantique. Le développement de portes quantiques intriquées de haute délité est la clé du succès de cette plateforme. Dans cette thèse, nous développons plusieurs protocoles nouveaux et optimisés pour l'implémentation de portes quantiques à deux et plusieurs qubits sur des atomes neutres. Nous introduisons la famille des protocoles temps-optimaux, qui implémentent une porte quantique donnée aussi rapidement que possible en appliquant une impulsion laser unique avec une phase dépendant du temps. Nous explorons également les protocoles de portes qui sont particulièrement robustes face à certaines sources d'erreurs expérimentales, et les portes qui sont optimisées pour leur utilisation dans un code de correction d'erreur quantique. En n, nous proposons deux nouveaux protocoles pour implémenter des portes multi-qubits non-locales sur des atomes neutres couplés à un mode de cavité commun qui peut être implémenté simplement par un pilotage classique de la cavité. Les résultats de cette thèse permettent d'obtenir des portes quantiques plus simples, de meilleure qualité et plus robustes sur des atomes neutres, et constituent une étape vers la réalisation de la vision d'un ordinateur quantique
Neutral atoms have recently emerged as a competitive platform for quantum computing. The development of high delity entangling quantum gates is a key to success of this platform. In this thesis, we develop several new and optimized protocols for the implementation of two- and multi-qubit quantum gates on neutral atoms. We introduce the family of time-optimal protocols, which implement a given quantum gate as fast as possible by applying a single laser pulse with a time-dependent phase. We also explore gate protocols which are particularly robust against certain experimental error sources, and gates which are optimized for their use in a quantum error correction code. Finally, we propose two new protocols to implement non-local multi-qubit gates on neutral atoms coupled to a common cavity mode which can be implemented simply by a classical drive of the cavity. The results of this thesis allow for simpler, higher quality, and more robust quantum gates on neutral atoms, and constitute a step towards realizing the vision of a quantum computer

L'objectif de cette thèse a été de développer de nouvelles sources brillantes de photons à la fois uniques et indiscernables et de les utiliser pour réaliser une porte logique quantique. Pour cela, nous avons étudié et contrôlé l'émission spontanée de boîtes quantiques semi-conductrices insérées dans des structures optiques. Dans un premier temps, nous avons développé un nouveau type de cavités tridimensionnelles -simples à réaliser et que nous avons nommées cavités à « modes de Tamm plasmoniques confinés » - afin de contrôler l'émission spontanée d'une boîte quantique et de créer une source brillante de photons uniques. Dans un second temps, nous avons fabriqué et caractérisé des sources de photons uniques ayant des brillances record allant jusqu'à 0. 79 photons collectés par impulsion laser. Pour cela, nous avons couplé de manière déterministe une boîte quantique à un mode confiné de micropilier. L'indiscernabilité des photons émis par la source a été étudiée en fonction des conditions d'excitation. Un schéma d'excitation à deux couleurs nous a permis d'obtenir pour la première fois une grande indiscernabilité entre les photons à forte brillance de la source. Enfin, pour montrer le potentiel de ces sources, nous avons construit une porte logique quantique Controled-NOT opérant sur deux photons uniques. Cette porte qui retourne l'état d'un qubit de cible en fonction de l'état d'un qubit de contrôle est l'élément de base d'un ordinateur quantique. Grâce à la mesure de la table de vérité, nous avons obtenu le taux de succès de la porte. Finalement, en utilisant cette porte, nous avons généré deux photons intriqués en polarisation. La fidélité à l’état de Bell atteint 71%
The goal of this thesis was the developrnent of new bright sources of both single and indistinguishable photons that we used for implementing a quantum logic gate. For this purpose, we studied and controlled the spontaneous emission of single semiconductor quantum dot embed in optical structures. First, we proposed a new type of three dimensional cavity - easy to realize and that we named "confined Tamm plasmon modes" cavities - in order to control the spontaneous emission of a quantum dot and to create a bright source of single photons. Then, we fabricated and characterized sources of single photons with brightnesses up to 0. 79 photons collected per laser pulse. To do so, we deterministically coupled a single quantum dot to the confined mode of a micropillar The indistinguishability of the photons emitted by the source has been studied as a function of the pumping conditions. Using a two-color excitation scheme, we obtained for the first time a bright source of indistinguishable single photons. Finally, to show the potential of these sources, we implemented a quantum Controlled-Not gate operating on two single photons. This gate, which flips a target qubit state as a function of a control qubit state, is at the heart of the quantum computer, The measurement of the truth table allows us to determine the success probability of the gate, Using this quantum logic gate, we generated two photons entangled in polarization. The fidelity to the Bell state reaches 71%

L'objectif de cette thèse a été de développer de nouvelles sources brillantes de photons à la fois uniques et indiscernables et de les utiliser pour réaliser une porte logique quantique. Pour cela, nous avons étudié et contrôlé l'émission spontanée de boîtes quantiques semi-conductrices insérées dans des structures optiques. Dans un premier temps, nous avons développé un nouveau type de cavités tridimensionnelles - simples à réaliser et que nous avons nommées cavités à " modes de Tamm plasmoniques confinés " - afin de contrôler l'émission spontanée d'une boîte quantique et de créer une source brillante de photons uniques. Dans un second temps, nous avons fabriqué et caractérisé des sources de photons uniques ayant des brillances records allant jusqu'à 0.79 photons collectés par impulsion laser. Pour cela, nous avons couplé de manière déterministe une boîte quantique à un mode confiné de micropilier. L'indiscernabilité des photons émis par la source a été étudiée en fonction des conditions d'excitation. Un schéma d'excitation à deux couleurs nous a permis d'obtenir pour la première fois une grande indiscernabilité entre les photons à forte brillance de la source. Enfin, pour montrer le potentiel de ces sources, nous avons construit une porte logique quantique Controlled-NOT opérant sur deux photons uniques. Cette porte qui retourne l'état d'un qubit de cible en fonction de l'état d'un qubit de contrôle est l'élément de base d'un ordinateur quantique. Grâce à la mesure de la table de vérité, nous avons obtenu le taux de succès de la porte. Finalement, en utilisant cette porte, nous avons généré deux photons intriqués en polarisation. La fidélité à l'état de Bell atteint 71%.

Le développement de qubits quantiques robustes représente un défi technologique de taille. Malgré plus d'une décennie de progrès et de percées, nous sommes toujours à la recherche du candidat idéal. La difficulté réside dans la nécessité de respecter une panoplie de critères stricts: on doit pouvoir préparer et mesurer les qubits rapidement et de manière fiable, préserver leur état pour de longs temps, appliquer avec précision un continuum de transformations, les coupler les uns aux autres, en entasser des milliers, voire des millions sur un seul dispositif, etc. Parallèlement à ces recherches, un autre groupe de scientifiques travaillent plutôt à l'élaboration de l'architecture permettant d'opérer ces qubits. Cette architecture inclut une couche logicielle de base dont l'étude constitue le domaine du calcul tolérant aux fautes: en encodant l'information dans des qubits logiques à l'aide des qubits physiques disponibles, il est possible d'obtenir un dispositif quantique dont les propriétés effectives sont supérieures à celles des composantes physiques sous-jacentes. En contrepartie, une surcharge doit être payée. Celle-ci peut être interprétée comme une forme de redondance dans l'information. De plus, les portes logiques applicables aux qubits encodés sont souvent trop limitées pour être utiles. La recherche dans ce domaine vise souvent à limiter la surcharge et à étendre l'ensemble des opérations applicables. Cette thèse présente les travaux que j'ai publiés avec mes collaborateurs durant mes études de doctorat. Ceux-ci touchent deux aspects importants du calcul tolérant aux fautes: l'élaboration de protocoles de calcul universel et la conception et l'étude d'algorithmes de décodage de codes topologiques stabilisateurs. Concernant l'élaboration de protocoles de calcul universel, j'ai développé avec l'aide de Krysta Svore chez Microsoft Research une nouvelle famille d'états ressources (Chapitre 2). Celle-ci permet, par l'injection d'états, d'effectuer une opération unitaire arbitraire à un qubit à un coût plus faible que les méthodes existant à ce moment. Plus tard, j'ai poursuivi ces travaux avec David Poulin pour élaborer une autre famille d'états ressources qui diminuent encore davantage les coûts de compilation de diverses portes unitaires à un qubit (Chapitre 3). Finalement, Jonas Anderson, David Poulin et moi avons montré comment il est possible de passer de manière tolérante aux fautes d'un encodage à un autre (Chapitre 4). Cette approche est qualitativement différente, car elle fournit un ensemble universel de portes sans passer par l'injection d'états. Durant mon doctorat, j'ai aussi généralisé de plusieurs manières la méthode de décodage par renormalisation du code topologique de Kitaev que j'ai développée au cours de ma maîtrise. Tout d'abord, j'ai collaboré avec Héctor Bombin et David Poulin dans le but de montrer que tous les codes topologiques stabilisateurs invariants sous translation sont équivalents, c'est-à-dire qu'ils appartiennent à la même phase topologique (Chapitre 5). Ce résultat m'a aussi permis d'adapter mon décodeur aux codes topologiques de couleurs stabilisateurs et à sous-systèmes. Puis, je l'ai adapté à une généralisation du code topologique de Kitaev sur des qudits (Chapitre 6). Ensuite, je l'ai généralisé au cas tolérant aux fautes, où les erreurs dans les mesures du syndrome sont prises en compte (Chapitre 7). Finalement, je l'ai appliqué à un nouveau code élaboré par Sergey Bravyi, le code de surface à sous-systèmes (Chapitre 8).

Un ordinateur quantique est un ordinateur formé de bits quantiques (qubits) qui tire profit des propriétés quantiques de la matière. Un grand intérêt est porté au développement d’un tel ordinateur depuis qu’il a été montré que le calcul quantique permettrait d’effectuer certains types de calculs exponentiellement plus rapidement qu’avec les meilleurs algorithmes connus sur un ordinateur classique. D’ailleurs, plusieurs algorithmes ont déjà été suggérés pour résoudre efficacement des problèmes tels que la factorisation de grands nombres premiers et la recherche dans des listes désordonnées. Avant d’en arriver à un ordinateur quantique fonctionnel, certains grands défis doivent être surmontés. Un de ces défis consiste à fabriquer des qubits ayant un temps d’opération nettement inférieur au temps de cohérence (temps durant lequel l’état du qubit est conservé). Cette condition est nécessaire pour parvenir à un calcul quantique fiable. Pour atteindre cet objectif, de nombreuses recherches visent à augmenter le temps de cohérence en choisissant judicieusement les matériaux utilisés dans la fabrication des qubits en plus d’imaginer de nouvelles méthodes d’utiliser ces dispositifs pour diminuer la durée des opérations. Une manière simple d’implémenter un qubit est de piéger quelques électrons dans l’espace et d’utiliser l’état de spin de cet ensemble d’électrons pour encoder les états du qubit. Ce type de dispositif porte le nom de qubit de spin. Les boîtes quantiques (BQs) latérales fabriquées sur des substrats de GaAs/AlGaAs sont un exemple de qubit de spin et sont les dispositifs étudiés dans ce mémoire. En 2007, Pioro-Ladrière et al. ont suggéré de placer un microaimant à proximité d’une BQ pour créer un gradient de champ magnétique non-uniforme et permettre d’effectuer des rotations de spin à l’aide d’impulsions électriques rapides. Ce mémoire présente comment modifier la géométrie de ces microaimants pour obtenir un plus grand gradient de champ magnétique dans la BQ. Une nouvelle technique de contrôle de spin menant à des rotations de spin et de phase plus rapides sera aussi détaillée. Enfin, il sera montré que le département de physique de l’Université de Sherbrooke possède tous les outils nécessaires pour implémenter cette méthode.

Ce travail est consacré à l'étude d'effets d'optique quantique et de dynamique de spin dans les microcavités semi-conductrices. La réponse optique de ces dispositifs est décrite en termes de modes mixtes exciton-photon, les polaritons de cavité.
Nous avons d'abord effectué une étude théorique et expérimentale d'un mélange à quatre ondes dégénéré, sous excitation résonnante par deux faisceaux pompe se propageant en sens inverse, de même polarisation linéaire. Les états finaux du processus ont une polarisation orthogonale à celle des faisceaux pompes et sont fortement corrélés en intensité. Lorsque les deux faisceaux pompes ont des polarisations croisées, le processus est totalement inhibé. Ce processus permet d'utiliser la microcavité comme une porte logique binaire optique.
Nous avons ensuite généré des photons corrélés quantiquement en utilisant un mélange à quatre ondes, sous excitation résonnante par un faisceau pompe, dans une microcavité triple.
Enfin, nous avons étudié l'effet Hall optique de spin et mis en évidence la propagation de courants de spin excitonique sur une centaine de microns.

L'application des résonances de Förster à plusieurs corps est étudiée pour réaliser des circuits de portes quantiques multi-qbits. Deux nouveaux types de transitions borroméennes à trois atomes utilisant un atome relais ont été proposées et étudiées numériquement. En particulier, une résonance de Förster à trois atomes non isolée et contrôlée par effet Stark entre des états S et P de niveaux élevés n = 80, 81, 82 avec des atomes de Rb isolés dans des pièges optiques a été modélisée. Une résonance de Förster isolée à trois atomes a également été démontrée pour les états n = 70, 71 des atomes Rb. Les résonances ont été étudiées dans une configuration spatiale fixe, ce qui nous a permis de démontrer l'évolution cohérente de la population et de la phase des états collectifs impliqués. Des schémas de portes de Toffoli à trois qubits ont été développés et modélisés numériquement sur la base des résonances démontrées dans des ensembles à trois atomes. En outre, un schéma généralisé de porte de phase doublement contrôlée CCPHASE a été développé sur la base de la résonance de Förster à trois corps induite par radiofréquence. De plus, un schéma de porte quantique similaire a été proposé sur la base de la résonance de Förster induite par radiofréquence à deux atomes avec un déplacement contrôlé par interaction avec le troisième. Les performances rapides et la grande fidélité des schémas proposés, ainsi que leur robustesse potentielle aux erreurs, nous permettent d'espérer le succès d'une réalisation expérimentale prochainement
Application of few-body Förster resonances for implementation of multiqubit quantum gate circuits has been investigated. New types of three-atom Borromean transitions based on the relay atom have been proposed and numerically studied. In particular, a Stark-controlled non-isolated three-atom Förster resonance between high-lying n = 80, 81, 82 S − P states of Rb atoms isolated in individual optical traps has been modeled. Isolated three-atom Förster resonance has also been demonstrated for n = 70, 71 states of Rb atoms. The resonances were investigated in a fixed spatial configuration, allowing us to demonstrate the coherent population and phase dynamics of the collective states involved. Three-qubit Toffoli gates schemes have been developed and numerically modeled based on the demonstrated resonances. Also, a generalized doubly controlled phase CCPHASE gate scheme has been developed based on the radiofrequency-induced three-body Förster resonance. Additionally, a similar quantum gate scheme has been proposed based on two-atom RF-induced Förster resonance with controlled displacement. The fast performance and high fidelity of the proposed schemes, as well as their potential robustness to errors, allow us to expect a successful experimental implementation in the near future

Nous présentons ici la réalisation d'une dynamique quantique conditionnelle et la préparation d'un état intriqué à trois systèmes quantiques dans une expérience d'électrodynamique quantique en cavité. Nous couplons des atomes, préparés dans un état de Rydberg circulaire, au mode d'une cavité de très haute surtension, préparé dans l'état vide. A résonance, un échange réversible et cohérent d'un quantum d'excitation entre l'atome et le champ a lieu : l'oscillation de Rabi quantique. En fixant le temps d'interaction à un cycle complet d'absorption et d'émission, nous obtenons une dynamique conditionnelle : la phase quantique de l'état atome--champ change si le mode contient un photon et si l'état atomique est couplé au mode. En revanche, si le mode ne contient pas de photon ou si l'état atomique n'est pas
couplé, la phase reste inchangée. Nous démontrons ce changement de phase et nous faisons varier sa valeur en désaccordant la fréquence du mode par rapport à la transition atomique. De plus, nous vérifions que la dynamique préserve la cohérence des sous-systèmes, menant ainsi à un état intriqué si les deux sont initialement préparés dans des superpositions d'états. Nous interprétons le processus en termes d'une porte logique quantique et nous analysons ses limitations. Dans une deuxième expérience, nous préparons et analysons un état intriqué entre deux atomes et le champ en effectuant des opérations successives et réversibles. Le premier atome est intriqué avec le champ en interagissant avec ce dernier pendant un quart d'oscillation de Rabi. Le deuxième atome effectue ensuite, comme dans la première expérience, une oscillation de Rabi complète. Etant préparé dans une superposition de l'état couplé et de l'état non-couplé, il s'intrique également avec le champ, et donc avec le premier atome. Des mesures dans deux bases orthogonales sont effectuées sur l'état intriqué à trois systèmes résultant. Une analyse des signaux expérimentaux est présentée, confirmant que l'état préparé n'est effectivement pas séparable. Nous discutons des perspectives ouvertes par ces expériences pour le traitement
quantique de l'information.

Je présente dans une première partie mes travaux de recherche sur les microcavités semi-conductrices en régime de couplage fort exciton-photon. Les modes propres dans ces systèmes sont des états mixtes exciton-photon appelés polaritons de cavité, qui présentent de fortes non-linéarités optiques provenant de l'interaction exciton-exciton. Je présente plusieurs applications de ces dispositifs dans les domaines de l'optique quantique (compression du bruit quantique, génération de faisceaux corrélés) des communications optiques et de l'opto-électronique de spin.

J'aborde dans la deuxième partie mes activités théorique et expérimentale autour de la spectroscopie de l'ion H2+. Le but de l'expérience, qui a débuté en 2003 à l'université d'Evry, est de mesurer la fréquence d'une transition vibrationnelle à deux photons sans effet Doppler, et de la comparer à des prédictions théoriques précises pour en déduire une nouvelle détermination du rapport mp/me. Je décris les progrès des calculs de haute précision sur l'ion H2+ (niveaux d'énergie non relativistes, structure hyperfine), ainsi que le dispositif expérimental mis en place et les perspectives de l'expérience.

La fonction d'onde de deux particules après
une interaction mutuelle ne peut pas, en général, être exprimée
comme le produit d'états individuels des particules. Pour qu'une
collision atomique puisse produire une intrication
maximale, il faut cependant des conditions exceptionnelles. Ces
conditions sont réunies dans notre dispositif, où l'interaction
dipôle-dipôle entre atomes de Rydberg "à deux niveaux" peut être
stimulée par une cavité supraconductrice non-résonnante. En
exploitant cet effet, nous avons réalisé des états fortement
intriqués dans des collisions binaires avec des paramètres
d'impact de l'ordre du millimètre. L'angle de collision peut être
varié en modifiant le désaccord atomes-cavité, ce qui nous a
permis d'observer l'échange d'énergie réversible et cohérent
(oscillation de Rabi) entre deux atomes. Par un choix opportun des
valeurs des paramètres, nous avons en particulier réalisé et testé
une paire 'EPR' d'atomes. La relative insensibilité de cette
méthode d'intrication au facteur de qualité du résonateur rend sa
fidélité compatible avec des expériences de violation des
inégalités de Bell ainsi qu'avec la manipulation cohérente d'un
nombre plus important d'atomes. Nous présentons en outre une
nouvelle procédure de fabrication des cavités micro-ondes. Les
nouvelles cavités devraient en particulier permettre l'extension
des études sur l'intrication aux champs confinés dans deux
résonateurs séparés.

I use and develop theoretical chemistry models and molecular simulation methods in order to study fluid adsorption in nanoporous cristalline materials, focussing on three main aspects. First, I have developped analytical statistical thermodynamics models describing the interplay between fluid adsorption and host solid structural transitions. These models help rationalize and predict the occurrence of adsorption and pressure-induced phase transitions in flexible metal-organic frameworks, in the multi-parameter space of gas pressure, gas mixture composition, temperature and mechanical stress. Secondly, I used molecular simulation methods to study the properties of these flexible MOFs, and their adsorption properties. I used a large gamuth of methods including quantum chemistry calculations, ab initio dynamics, and forcefield-based Monte Carlo simulations to that aim. I also developped non-Boltzmannian Monte Carlo methods specifically tailored for these issues of adsorption in systems of widely varying volume. Finally, I have performed some studies of hydrothermal and mechanical stability of both flexible and nonflexible MOFs.

Cette thèse porte sur l’élaboration et la caractérisation de nanostructures luminescentes dopées avec des terres rares qui peuvent être utilisées pour détecter la présence de gaz tels que le monoxyde d’azote. Le silicium cristallin est choisi comme substrat car il est le semi-conducteur de référence en microélectronique. Il est cependant un mauvais émetteur de lumière en raison de sa bande interdite indirecte. Obtenir des propriétés optiques à partir de ce matériau, notamment d’émission, est un challenge et un enjeu très important pour l’industrie de l’optoélectronique et pour les télécommunications optiques. Le confinement quantique de porteurs de charge dans des nanostructures de silicium a permis d’obtenir une émission radiative à température ambiante. Une alternative pour obtenir une émission optique exploitable est de coupler ce matériau avec des ions émetteurs de lumière. Dans ce travail, des complexes contenant des ions de terres rares ont été greffés sur la surface du silicium. Ces derniers sont très intéressants en optique car ils présentent des raies d’émission intenses à des longueurs d’ondes qui ne sont que peu modifiées par leur environnement. Afin d’élaborer ces matériaux hybrides inorganiques/organiques, différentes étapes ont été développées et optimisées au cours de ce travail. Pour fixer les ions à la surface du silicium, il est tout d’abord nécessaire d’oxyder celle-ci de manière à ce qu’elle présente des groupements réactifs. Une deuxième étape consiste à ajouter un aminosilane, l’APTES, qui permet le lien entre le complexe et la surface de silice. La fonction silane permet le greffage à la silice et le film formé présente des fonctions amines libres (-NH2) qui peuvent réagir avec une fonction acide carboxylique. Il est ensuite nécessaire "d’emprisonner" les ions de lanthanides dans un ligand, le DOTAGA. Celui-ci présente 4 fonctions acides carboxyliques pouvant complexer l’ion de terre rare. Une 5ème fonction acide carboxylique reste libre et peut interagir avec une fonction amine, ce qui permet une fixation covalente du complexe. Les complexes de lanthanides (Tb, Eu, Ce, Yb et Nd) ainsi formés sont luminescents. Il est montré qu’une fois greffés sur le silicium plan, les complexes à base de Tb, Eu et Ce présentent une émission radiative importante alors que ceux à base d’Yb et de Nd sont peu luminescents. Des résultats similaires sont obtenus sur silicium poreux. Enfin, l’effet de l’environnement sur les échantillons synthétisés est étudié afin de montrer qu’ils sont des candidats intéressants pour détecter rapidement et réversiblement de faibles quantités de NO, qui est un gaz toxique, incolore et inodore
This thesis is about the synthesis and characterization of luminescent nanostructures doped with rare earth ions that can be used as sensor for gases such as nitrogen monoxide (NO). Crystalline silicon, which is used as a substrate here, is a poor light emitter because of its indirect gap. It is challenging for the microelectronic and optical telecommunications industries to obtain optical properties, including emission, from this material. Thanks to quantum confinement in silicon nanostructures, a radiative emission can be obtained at room temperature. A possible way to enhance these properties is to modify the surface in such a way that it becomes optically active. In this work, complexes containing luminescent elements as lanthanides were grafted on the silicon surface. These elements are very interesting for optical applications because the wavelength of their emission peaks is almost independent of the environment and an emission from the blue to the near infrared can be obtained, depending on the rare earth. To produce inorganic/organic hybrid materials, different steps were developed and optimized during this work. So as to attach the rare-earth based complexes to the silicon surface, that surface is oxidized in order to generate reactive groups like silanols. A second required step is the functionalization of the surface by an aminosilane (APTES) which enables to link the silica surface and the complexes. To fix the optically active ions, it is necessary to complex the lanthanide ions with a ligand (DOTAGA) that can react with the ammine group to create a covalent bound of the complex. In this work, it is shown that the synthesized lanthanide complexes (Tb, Eu, Ce, Yb and Nd) are optically active and that after grafting on the silicon surface, Tb, Eu and Ce based complexes have a strong luminescence while Yb and Nd based complexes are weakly active. The same type of results are obtained when the complexes are grafted on porous silicon. Moreover, the effect of the environment, in particular a nitrogen oxide one, is studied on these samples in order to check whether they can be used as NO sensors

Les etudes presentees dans ce manuscrit portent sur la photo- (pl) et l'electro-luminescence (el) de couches de silicium poreux obtenu par attaque electrochimique de substrat de silicium monocristallin. La premiere partie presente les principales caracteristiques du materiau et la description de ses proprietes de luminescence accompagnee des differents modeles avances pour en expliquer les mecanismes, en s'attachant tout particulierement a celui du confinement quantique des porteurs dans les cristallites qui forment la couche poreuse, qui est le plus generalement retenu. La deuxieme partie decrit les differents montages experimentaux permettant la formation des couches poreuses et leurs caracterisations. Dans une troisieme partie, nous presentons les resultats obtenus lors de l'etude par spectroscopie infrarouge de l'influence des especes presentes en surface des cristallites de silicium sur la pl de la couche poreuse. Nous montrons que la desorption de l'hydrogene present en surface apres formation du materiau s'accompagne d'une diminution de l'intensite de pl. L'analyse de la composition chimique d'une couche poreuse oxydee electrochimiquement nous permet de mettre en evidence la conservation de la passivation par l'hydrogene au cours de ce traitement et de confirmer que l'augmentation du rendement quantique de l'emission associee a l'oxydation electrochimique peut etre attribuee a une meilleure localisation des porteurs photogeneres dans les cristallites. La quatrieme partie est consacree aux effets d'une polarisation electrique sur les phenomenes de luminescence. Ce travail a ete mene sur des couches nanoporeuses formees sur substrat de type n, polarisees par l'intermediaire d'un contact electrolytique. On observe une extinction selective, progressive (mais reversible) de la pl quand la polarisation cathodique est augmentee. Parallelement, l'el observee en presence d'une espece oxydante dans l'electrolyte subit un deplacement spectral vers le bleu. L'etude detaillee des differentes caracteristiques de ces deux phenomenes nous permet de montrer qu'ils resultent de l'injection selective des electrons depuis le substrat dans les cristallites de plus en plus confinees au fur et a mesure que la polarisation augmente. On verifie par ailleurs que ce caractere selectif disparait progressivement au cours de l'oxydation electrochimique de la couche poreuse. L'extinction de la pl et de l'el sous forte polarisation cathodique peut etre attribuee a la recombinaison non radiative des porteurs de charges par un mecanisme de type auger

Ce travail est consacre a l'etude de l'electroluminescence du silicium poreux de type p fortement dope qui accompagne l'oxydation electrochimique de ce materiau. Dans une premiere partie bibliographique, nous presentons les conditions et les mecanismes de formation du silicium poreux ainsi que les proprietes principales du materiau. Nous abordons ensuite les differents modeles invoques pour interpreter l'origine de la photoluminescence observee dans le domaine du visible. Nous presentons dans une seconde partie l'etude de l'electroluminescence du silicium poreux en relation avec la morphologie du materiau. Une analyse conjointe de l'electro- et de la photo-luminescence, menee lors d'une anodisation a courant constant, montre une variation d'intensite commune ainsi qu'un deplacement spectral en fonction du niveau d'oxydation de la couche. Ces differentes caracteristiques sont discutees et interpretees dans le cadre d'un modele simple reposant sur la notion de confinement quantique des porteurs dans les cristallites de silicium constituant la structure poreuse. Ce modele fait intervenir selectivite d'injection des porteurs dans les cristallites et effet de passivation du a la formation de l'oxyde. Une etude des phenomenes de luminescence lors d'une oxydation effectuee a potentiel controle a permis de separer les differents parametres qui determinent l'emission lumineuse. Elle montre notamment que l'energie des radiations emises est reliee de maniere lineaire a la tension appliquee. Dans une derniere partie, nous nous sommes interesses au caractere transitoire du signal d'electroluminescence. Nous avons montre que la chute de l'intensite lumineuse peut etre liee a une depassivation de la surface des cristallites

La téléportation quantique promet d'être centrale à de nombreuses applications du futur tels la cryptographique quantique et l'ordinateur quantique. Comme toute mise en œuvre physique s'accompagne inévitablement d'imperfections expérimentales, on étudie la téléportation dans un contexte où la ressource quantique, c'est-à-dire l'intrication, que l'on consomme est brouillée. Pour ce faire, on introduit en premier lieu le formalisme de l'informatique quantique. En seconde partie, on approche les protocoles de téléportation quantique standard, de téléportation avec relais quantiques et de téléportation multi-ports. Notre analyse de la téléportation standard et de la téléportation multi-ports poursuit trois objectifs principaux. Le premier est de comparer l'emploi d'un canal brouillé pour la téléportation d'un état quantique avec l'utilisation de ce même canal pour l'envoi direct de l'état. On trouve ainsi les conditions pour lesquelles les deux protocoles de transmission sont équivalents. Le second but est d'observer le caractère non-local de l'intrication brouillée en regardant quand et comment Alice peut réduire le bruit chez elle à un bruit exclusivement chez Bob. En troisième, on quantifie par une borne inférieure la qualité d'un canal de téléportation en réduisant l'effet de toute intrication brouillée à celui d'un bruit de Pauli à un seul paramètre. On accomplit cette tâche en effaçant au moment approprié l'information classique superflue et en appliquant la wernerisation. Finalement, on analyse la composition de bruits de Pauli et l'effet du taux d'effacement sur la téléportation avec relais quantiques pour mieux comprendre comment se combinent les effets de l'intrication brouillée dans un réseau de téléportation quantique. La suite logique est d'établir des protocoles plus robustes de téléportation quantique qui prennent en compte l'effet de l'intrication brouillée.
Quantum teleportation will be a centerpiece of practical quantum cryptography and quantum computing in a soon to be future. As no physical implementation is perfect, we study quantum teleportation in the context of impaired quantum resources which we call noisy entanglement. In a first part, we introduce how quantum mechanics is formalized by quantum information theory. In the second part, we study standard quantum teleportation, in both the absence and presence of quantum repeaters, as well as port-based teleportation. Our analysis of standard quantum teleportation and port-based teleportation follows three main directions. The first goal is to compare the use of a noisy channel for teleportation to the one of the same channel for direct transmission. We thus find the conditions under which the two cases are equivalent. Our second objective is to observe the non-local properties of noisy entanglement by finding when and how Alice can blame Bob for her noise. Thirdly, we quantify, in the worst-case scenario, the quality of a teleportation channel by reducing the effect of any noisy entanglement to the one of a one-parameter Pauli channel that can be interpreted as a depolarizing channel in most instances. We achieve this task by erasing unneeded classical information at the appropriate time and by twirling either the entanglement or the teleported state. Finally, we analyze the composition of Pauli noises and the impact of the erasure channel parameter on the protocol of teleportation with quantum repeaters. We thus aim to understand how the effects of noisy entanglement cumulate in a teleportation network. The next logical step is to create robust teleportation schemes that take into account the effects of noisy entanglement.