Quantum memory protocols in large cold atomic ensembles

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