Transport et manipulation de photons intriqués en milieux complexes

La manipulation du front d'onde lumineux a été initialement développée pour corriger les aberrations atmosphériques et permettre une imagerie nette des objets astronomiques. Inspirées par ces avancées, les techniques de mise en forme du front d'onde basées sur des modulateurs spatiaux de lumière ont depuis été adaptées pour étudier la propagation de la lumière dans des environnements très complexes, tels que les milieux désordonnés. Cela a permis de réaliser des progrès significatifs dans la compréhension du transport de la lumière, d'étendre les capacités d'imagerie dans des conditions réelles et même d'ouvrir de nouvelles perspectives pour le calcul optique. Si ces avancées sont longtemps restées confinées au domaine de l'optique classique, l'essor des technologies quantiques repousse désormais les limites du façonnage du front d'onde vers le régime quantique. Les états quantiques de la lumière, notamment les paires de photons intriqués, les états comprimés et les photons uniques, offrent des avantages uniques pour la mesure de précision, la communication sécurisée et l'étude des fondements de la mécanique quantique. Le défi central ne consiste plus seulement à contrôler le profil spatial ou temporel de la lumière, mais aussi à préserver et à manipuler ses propriétés quantiques, telles que l'intrication, tout en traversant des environnements complexes. Relever ce défi est essentiel pour permettre la communication, l'imagerie et le calcul quantiques en conditions réelles. Cette thèse aborde cette problématique en étudiant la propagation des états intriqués à deux photons à travers des systèmes complexes tels que des fibres multimodes ou des couches minces diffusantes. Dans un premier temps, il est montré que la méthode classique de correction du front d'onde, fondée sur la mesure de la matrice de transmission et nécessitant un faisceau laser externe, peut être utilisées pour caractériser et compenser les perturbations introduites par le milieu, permettant ainsi de préserver l'intrication spatiale après la transmission. Par la suite, en combinant les capacités de détection multimode des caméras sensible aux photons uniques, ainsi qu'un modèle théorique décrivant les interférences à deux photons au sein du milieu, j'ai développé un algorithme d'optimisation par rétroaction utilisant les coïncidences spatiales. Cette méthode supprime la nécessité d'un faisceau classique auxiliaire pour corriger les effets de diffusion sur les paires de photons. En parallèle, j'ai étudié la transmission d'états intriqués par polarisation à travers une fibre multimode. Dans ce cas, nous montrons que la certification de l'intrication peut être obtenue sans correction active de la diffusion. La fibre met en œuvre de manière passive la mesure projective pour violer une inégalité de Bell à la sortie. Ensemble, ces résultats établissent de nouveaux outils expérimentaux pour l'utilisation des états quantiques intriqués dans des milieux complexes. Ils contribuent à ouvrir la voie à l'intégration de l'optique quantique dans des environnements réalistes et désordonnés, où les effets de diffusion sont inévitables, et participent ainsi au développement de futures applications en communication, imagerie et information.