Multimode Quantum Optics in the Continuous Variable Regime
Optique Quantique Multimode en Variables Continues
Résumé
We consider the quantum description of light in the continuous
wave regime, where photons are not distinguishable individually.
In the small quantum fluctuations limit, we intend to increase
both the richness and possible applications of non-classical
light by the increase of the number of modes -or degree of
freedom- involved in the detection process. This is what is called
multimode quantum optics. Within this frame, we describe a
practical way to extract the number of relevant modes in a beam of
light. Then, measurement theory is reconsidered to link the
multimode character of light to information processing with a beam
of light. Limits to optical measurement are thus redefined, and
quantum entanglement for any measurable observable described.
Experiments involving more and more optical modes are demonstrated
to illustrate that theory : twin beams, entanglement and quantum
teleportation measurement, polarization squeezed and entangled
state generation, nano-positioning of a beam of light beyond the
standard quantum limit, spatial entanglement, noiseless
amplification of images and multimode quantum optics with
frequency combs. On the way, we evoke the possible applications to
the increase of optical read-out capacity and information
transfer, to parallel processing of quantum information and to
quantum imaging and metrology.
wave regime, where photons are not distinguishable individually.
In the small quantum fluctuations limit, we intend to increase
both the richness and possible applications of non-classical
light by the increase of the number of modes -or degree of
freedom- involved in the detection process. This is what is called
multimode quantum optics. Within this frame, we describe a
practical way to extract the number of relevant modes in a beam of
light. Then, measurement theory is reconsidered to link the
multimode character of light to information processing with a beam
of light. Limits to optical measurement are thus redefined, and
quantum entanglement for any measurable observable described.
Experiments involving more and more optical modes are demonstrated
to illustrate that theory : twin beams, entanglement and quantum
teleportation measurement, polarization squeezed and entangled
state generation, nano-positioning of a beam of light beyond the
standard quantum limit, spatial entanglement, noiseless
amplification of images and multimode quantum optics with
frequency combs. On the way, we evoke the possible applications to
the increase of optical read-out capacity and information
transfer, to parallel processing of quantum information and to
quantum imaging and metrology.
Nous considérons la description quantique de la lumière dans le
régime des variables continues, où les photons ne sont pas
distinguables individuellement. Dans la limite des petites
fluctuations quantiques, nous cherchons à augmenter la richesse,
et les possibles applications, des états quantiques produits en
multipliant le nombre de "modes" -ou degrés de libertés- mis en
jeu par le processus de détection. C'est ce que nous appelons
l'optique quantique multimode. Dans ce cadre, nous voyons comment,
en pratique, compter le nombre de modes pertinents au sein d'un
faisceau lumineux. Puis nous reprenons la théorie de la mesure
optique pour associer le caractère multimode de la lumière à la
recherche d'information dans un faisceau. Par cette approche, nous
redéfinissons les limites ultimes de la mesure et nous considérons
l'intrication quantique à partir de n'importe quelle grandeur
mesurable. Nous illustrons cette théorie par des expériences
mettant en jeu de plus en plus de modes : mesures de photons
jumeaux, intrication et téléportation quantique, mesure et
réduction du bruit de polarisation, nano-positionnement d'un
faisceau au delà de la limite quantique standard, intrication
spatiale, amplification sans bruit d'images et optique quantique
multimode avec des peignes de fréquence. Nous évoquons également
les possibles applications à l'accroissement des capacités de
stockage et de transfert d'information, au traitement en parallèle
de l'information quantique et à l'amélioration les techniques
d'imagerie et de métrologie.
régime des variables continues, où les photons ne sont pas
distinguables individuellement. Dans la limite des petites
fluctuations quantiques, nous cherchons à augmenter la richesse,
et les possibles applications, des états quantiques produits en
multipliant le nombre de "modes" -ou degrés de libertés- mis en
jeu par le processus de détection. C'est ce que nous appelons
l'optique quantique multimode. Dans ce cadre, nous voyons comment,
en pratique, compter le nombre de modes pertinents au sein d'un
faisceau lumineux. Puis nous reprenons la théorie de la mesure
optique pour associer le caractère multimode de la lumière à la
recherche d'information dans un faisceau. Par cette approche, nous
redéfinissons les limites ultimes de la mesure et nous considérons
l'intrication quantique à partir de n'importe quelle grandeur
mesurable. Nous illustrons cette théorie par des expériences
mettant en jeu de plus en plus de modes : mesures de photons
jumeaux, intrication et téléportation quantique, mesure et
réduction du bruit de polarisation, nano-positionnement d'un
faisceau au delà de la limite quantique standard, intrication
spatiale, amplification sans bruit d'images et optique quantique
multimode avec des peignes de fréquence. Nous évoquons également
les possibles applications à l'accroissement des capacités de
stockage et de transfert d'information, au traitement en parallèle
de l'information quantique et à l'amélioration les techniques
d'imagerie et de métrologie.
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