Perfectly secure steganography: hiding information in the quantum noise of a photograph

We show that the quantum nature of light can be used to hide a secret message within a photograph. Using this physical principle we achieve information-theoretic secure steganography, which had remained elusive until now. The protocol is such that the digital picture in which the secret message is embedded is perfectly undistinguishable from an ordinary photograph. This implies that, on a fundamental level, it is impossible to discriminate a private communication from an exchange of photographs.Comment: 5 pages, 3 figures + appendix : 5 pages, 6 figure

Chirped-pulse interferometry with finite frequency correlations

Chirped-pulse interferometry is a new interferometric technique encapsulating the advantages of the quantum Hong-Ou-Mandel interferometer without the drawbacks of using entangled photons. Both interferometers can exhibit even-order dispersion cancellation which allows high resolution optical delay measurements even in thick optical samples. In the present work, we show that finite frequency correlations in chirped-pulse interferometry and Hong-Ou-Mandel interferometry limit the degree of dispersion cancellation. Our results are important considerations in designing practical devices based on these technologies.Comment: 10 pages, 2 figure

Les effets de la musique auprès d’élèves du début du primaire présentant des difficultés d’apprentissage en lecture et en écriture : recension des écrits

Cet article examine les effets de la musique auprès d’élèves du début du primaire présentant des difficultés d’apprentissage en lecture et en écriture. Cinq recherches quasi expérimentales publiées de l’année 1997 à nos jours ont été recensées. Chaque études est résumée et commentée d’après la rigueur des approches méthodologiques choisies. Dans l’ensemble, les résultats démontrent que la formation musicale pourrait être une aide complémentaire à l’appropriation du langage écrit.This article examines the effects of music on primary school students who have reading and writing disabilities. Five quasi-experimental studies published between 1997 and 2007 are reviewed. Each study is summarized and assessed according to the rigour of the selected methods. Globally, the results show that musical training could be an additional help to the development of written language

Experimental bound entanglement in a four-photon state

Entanglement [1, 2] enables powerful new quantum technologies [3-8], but in real-world implementations, entangled states are often subject to decoherence and preparation errors. Entanglement distillation [9, 10] can often counteract these effects by converting imperfectly entangled states into a smaller number of maximally entangled states. States that are entangled but cannot be distilled are called bound entangled [11]. Bound entanglement is central to many exciting theoretical results in quantum information processing [12-14], but has thus far not been experimentally realized. A recent claim for experimental bound entanglement is not supported by their data [15]. Here, we consider a family of four-qubit Smolin states [16], focusing on a regime where the bound entanglement is experimentally robust. We encode the state into the polarization of four photons and show that our state exhibits both entanglement and undistillability, the two defining properties of bound entanglement. We then use our state to implement entanglement unlocking, a key feature of Smolin states [16].Comment: 10 pages, 6 figures. For a simultaneously submitted related work see arXiv:1005.196

Performance, Stability and Erosivity of Nitrogen-Rich Gun Propellants

RÉSUMÉ Plusieurs chercheurs considèrent que les approches actuelles au contenu énergétique de propulsifs ont atteint leur maturité et leurs limites. L’oxydation de molécules à base de carbone est l’approche utilisée depuis plusieurs décennies et a atteint son plein potentiel. Des structures sous forme de cage ont un contenu énergétique très élevé, mais restent dispendieuses. De plus, des défis supplémentaires en termes de vulnérabilité réduite, d’impact environnementaux et de réduction d’usure de systèmes d’armes. Il attendu des composés riches en azote qu’ils remédient à ces défis. Cependant, les efforts des scientifiques se sont principalement concentrés sur la synthèse de nouveaux composés riches en azote avec peu d’attention sur les effets de ces composés lorsqu’incorporés dans des poudres propulsives. Cette thèse vise à caractériser les effets de composés riches en azote dans des poudres propulsives en termes de performance, de stabilité et d’érosivité. Quatre composés riches en azote, soit le 5,5’-hydrazinebistétrazole (HBT), le 5,5’-bis-(1H-tetrazolyl)-amine (BTA), le nitrate de 5-aminotétrazolium (HAT-NO3) et le 3,6-dihydrazino-s-tétrazine (DHT) ont été incorporés en concentrations massiques de 5%, 15% et 25% dans un propulsif pour canon de type base triple. La triple base était composée de nitrocellulose, trimethylol éthane trinitrate et triéthylène glycol dinitrate. L’ajout de composés riches en azote a résulté en une augmentation de la vitesse de combustion dans tous les cas, cette augmentation atteignant jusqu’à 93% pour le BTA comparativement au propulsif de référence. Les exposants de pression et coefficients linéaires étaient hautement variés, certains exposants atteignant des valeurs indésirables de 1.4. La stabilité thermique à court terme et à long terme des propulsifs a aussi été évaluée. Le HBT et le BTA se sont avéré thermiquement stables à court terme et compatibles à long terme avec les esters nitrés. Le DHT et le HAT-NO3 se sont avérés peu compatibles avec les esters nitrés à long terme. Le DHT en particulier s’est avéré incompatible avec une décomposition autocatalytique. La baisse de stabilité due au HAT-NO3 est attribué à la dissociation partielle de ce dernier en l’acide et la base qui en sont les précurseurs, ce qui favorise la décomposition des esters nitrés dû à la présence d’acide nitrique. La décomposition autocatalytique des propulsifs incorporant du DHT est attribués aux effets oxydants des autres constituants et des produits de décomposition des autres constituants du propulsif. Les effets du HBT et BTA sur l’érosivité de poudres propulsives aussi été quantifié, une première dans la littérature scientifique des composés riches en azote. L’ajout de matériaux riches en azote a résulté en une diminution significative de l’érosivité des propulsifs comparativement à la formulation de référence. Cette diminution a aussi démontré que la modélisation semi-empirique de l’érosion de canons actuelle est potentiellement inadaptée aux propulsifs riches en azote étant donné que les modèles sont basés sur des propulsifs conventionnels et à faible vulnérabilité. Les effets des réactions entre l’acier de canon et l’azote sont un autre aspect qui est absent des modèles. De plus, les vitesses de combustion des propulsifs incorporant 35% de HBT et BTA ont été mesurés. Ces mesures ont mené à la découverte d’un changement significatif dans la cinétique de combustion des propulsifs qui est reflété par une augmentation des coefficients linéaires et une baisse des exposants. Finalement, une série d’heuristiques a été proposé pour guider les formulateurs dans la sélection de composés riches en azote. Ces heuristiques sont proposés au lieu de modèles puisqu’il a été déterminé que la création de modèles adéquats sera une entreprise importante et complexe. ---------- ABSTRACT It is believed that the current approaches to energetic content in gun propellants have reached their limits. Oxidation of molecules with a carbon backbone is the approach that has been in use for decades and has reached its full potential. Strain cage structures like CL-20 provide good energetic content but remain very expensive. Additional challenges in gun propellant design include reduced sensitivity, improved thermal stability, lowered environmental impact and reducing wear of gun systems due to propellants. Nitrogen-rich materials are anticipated to be a solution to these challenges without having to sacrifice performance. However, efforts have mostly been centered on the synthesis of new molecules with little attention paid to their effects in gun propellants. This thesis aims to fill this gap in energetic materials research by measuring the effects of nitrogen-rich materials in gun propellants. More specifically, the properties investigated were the performance, stability and erosivity of nitrogen-rich propellants. A total of four nitrogen-rich materials, 5,5’-hydrazinebistetrazole (HBT), 5,5’-bis-(1H-tetrazolyl)-amine (BTA), 5-aminotetrazolium nitrate (HAT-NO3) and 3,6-dihydrazino-s-tetrazine (DHT) were incorporated at concentrations of 5%, 15%, 25% and 35% (HBT and BTA only) in a modified triple base gun propellant. The triple base was composed of nitrocellulose, trimethylolethane trinitrate and diethylene glycol dinitrate. All nitrogen-rich materials resulted in a burning rate increase regardless of concentration with the burning increase reaching as high as 93% for 5,5’-bis-(1H-tetrazolyl)-amine. Significant changes in burning rate laws also indicated changes in the combustion kinetics of the propellants which were due to the nitrogen-rich materials. The thermal stability, both short-term and long-term, was evaluated for all propellants. BTA and HBT proved to have no significant effect on the long-term stability of the propellants and the short-term thermal stability of the propellants incorporating these materials remained within acceptable levels. Both DHT and HAT-NO3 proved to have poor long-term stability. The decrease of the stability of the propellant incorporating HAT-NO3 is attributed to the salt dissociating into its acid-base precursors which leads to accelerated decomposition of nitrocellulose due to nitric acid. Propellants incorporating DHT exhibited a catastrophic autocatalytic decomposition behavior. This behavior is attributed to the decomposition products of the other materials in the propellant oxidizing DHT which leads to its decomposition and further decomposition of the propellant. The effects of HBT and BTA on the erosivity of gun propellants were characterized, a first for nitrogen-rich materials in propellants. The addition of nitrogen-rich materials significantly lowered the erosivity of the propellants. It also demonstrated that current modeling of erosion may not be adequate for nitrogen-rich materials given their semi-empirical nature and the effects of nitrogen gas diffusing and reacting with the gun steel Finally, a set of heuristics based on the results obtained is proposed to help formulators with the initial screening of nitrogen-rich materials in gun propellant applications. These heuristics are proposed in lieu of models as it was discovered that such models could only be the result of a complex and important series of experimental works outside of the scope of a single PhD thesis

Chirped-pulse interferometry: Classical dispersion cancellation and analogues of two-photon quantum interference

Interference has long been used for precision measurement of path-length changes. Since the advent of the laser, interference has become one of the most versatile tools in metrology. Specifically, ultra-short laser pulses allow unprecedented resolution in absolute length measurements. While ultra-short laser pulses lead to high resolution, for example in white-light interferometry, they are very susceptible to dispersion. Quantum resources have been proposed to overcome some of the problems related to distortions in the interferometric signal. For example, the Hong-Ou-Mandel (HOM) interferometer relies on frequency-entangled photon pairs and features automatic even-order dispersion cancellation and high interference visibility resilient to unbalanced loss. Quantum-OCT is a technique based on HOM interferometry, that promises to overcome Optical Coherence Tomography (OCT) a classical imaging technique based on low coherence light. Furthermore, straightforward modifications of the HOM interferometer can display several different interferometric signals, including the HOM peak, quantum beating, and phase super-resolution. However, the quantum resources required are hard to produce and dim, leading to long integration times and single-photon counting. In this thesis, we introduce the theory behind Chirped-Pulse Interferometry (CPI), a new technique that combines all the advantages of Q-OCT, including even-order dispersion cancellation, but without the need for any quantum resources. We then experimentally implement CPI and demonstrate all the important characteristics shared by the HOM interferometer, but at dramatically larger signal levels. We show how CPI can be used to measure dispersion cancelled axial profiles of an optical sample and show the improvement in resolution over white-light interferometry. Finally, we show that by modifying CPI in analogous ways to HOM, CPI can also be made to produce interferometric signal identical to the HOM peak, quantum beating, and phase super-resolution

Biodégradabilité et propriétés énergétiques d'élastomères azoturés

Depuis plusieurs décennies, l’utilisation de matériaux polymères n’a cessé de croître. Ces derniers sont utilisés dans une vaste gamme de domaines tant dans le civil que dans le militaire (Colclough et al., 1994; Nair & Laurencin, 2007; Sansone et al., 2012). Cette demande a entraîné le développement de matériaux polymères aux propriétés variées selon l’application désirée. Dans le domaine des propulsifs, cette demande pour des polymères énergétiques s’est traduite par le développement du polyazoture de glycidyle (PAG), un polymère énergétique générateur de gaz ainsi que d’autres polymères ayant des structures similaires. De plus, en raison des préoccupations environnementales grandissantes, la demande pour des polymères plus « verts » n’a cessé d’augmenter. Cette demande vient entre autre de la problématique de fin de vie des matériaux polymères. En parallèle à cette problématique de fin de vie des polymères, une autre problématique est apparue dans le domaine militaire. Cette problématique se résume à la contamination des sols et conséquemment des cours d’eau avoisinant en raison du ruissellement (Dontsova, Pennington, Hayes, imunek, & Williford, 2009; M. R. Walsh, Thiboutot, Walsh, & Ampleman, 2012). Cette problématique de contamination entraîne des coûts de décontamination élevés ainsi que la nécessité de fermer des champs de tir dans certains cas (Michael R. Walsh, Walsh, & Hewitt, 2010). Les composés responsables de la contamination des sols sont entre autre présents dans des élastomères servant de liants. Ces liants sont non biodégradables. Dans l’optique de minimiser l’impact environnemental des matières propulsives, il est important non seulement de remplacer les contaminants, mais aussi de remplacer les élastomères servant de liants par de nouveaux matériaux biodégradables. Le PAG, couramment employé en tant que liant ou plastifiant, est non biodégradable et les résidus imbrulés s’accumulent dans l’environnement. L’objectif de ce travail est de synthétiser de nouvelles structures de liants énergétiques biodégradables sous forme d’élastomères polyuréthanes pouvant être employés dans la formulation de propulsifs ou en tant que générateurs de gaz. Les élastomères polyuréthanes biodégradables ont déjà recueilli de l’intérêt dans le domaine biomédical (Adhikari et al., 2008; He et al., 2012) et des travaux préliminaires ont été réalisés dans le domaine des matériaux énergétiques (Cossu, 2009). Afin de réaliser l’objectif principal de ce travail, trois pré-polymères, un copoly(éther/ester) et deux polyesters ont été synthétisés à partir de chlorure de sébacoyle, de polyépichlorohydrine, de 3-chloro-1,2-propanediol et de 2-bromo-2-nitro-1,3-propanediol. Ces pré-polymères ont par la suite été azoturés. Afin de confirmer le succès des réactions, des analyses ATR-FTIR, RMN-1H et RMN-13C ont été effectuées. Les analyses ont confirmé le succès des réactions d’azoturation pour le copoly(éther/ester) et le polyester synthétisé à partir de chlorure de sébacoyle et de 3-chloro-1,2-propanediol. La réaction d’azoturation du polyester synthétisé à partir du 2-bromo-2-nitro-1,3-propanediol s’est soldée par un échec. Les analyses ATR-FTIR ont confirmé l’absence de groupements énergétiques et un dégagement de gaz a été observé lors de la réaction d’azoturation. Le contenu des pré-polymères azoturés a été caractérisé par décomposition des azotures en DSC et évalué à 1724 J/g pour le copoly(éther/ester) et 614 J/g pour le polyester. Des élastomères polyuréthanes ont par la suite été synthétisés à partir des pré-polymères azoturés et d’éthyl ester L-lysine triisocyanate puis caractérisés. La Tg et l’énergie de décomposition des azotures ont été évaluées par DSC et s’élèvent à -43oC et 1688 J/g pour le copoly(éther/ester/uréthane) et -50oC et 601 J/g pour le copoly(ester/uréthane). La biodégradabilité des élastomères a été évaluée sur une période allant de 5 à 20 jours. La perte de masse a été évaluée à 5% après 20 jours pour le copoly(éther/ester/uréthane) et à 7% pour le copoly(ester/uréthane) après 15 jours. La fraction soluble des échantillons dégradés a été caractérisée par extraction soxhlet et l’évolution des groupements fonctionnels et liens du polymère ont été évalués par FTIR photoacoustique. Les résultats obtenus quant à la biodégradabilité des élastomères est en accord avec la littérature quant à l’effet des groupements azotures qui ont un effet néfaste sur la biodégradabilité d’élastomères. ---------- The interest for polymer materials has steadily increased in the last decades and the use of polymer materials has been increasing ever since. These polymers are used in a vast range of applications from civil to military (Colclough et al., 1994; Nair & Laurencin, 2007; Sansone et al., 2012). This demand for polymer materials resulted in the development of various polymers with a wide range of properties depending on the desired application. In the field of propellants, this interest led to the development of glycidyl azide polymer (GAP) and other similar materials. Growing environmental concerns has led to a demand for more environmentally friendly polymers. This demand so far has been increasing and shows no sign of following a different trend for the next years. This demand is in part due to the presence of non-recyclable polymers, for which end of life can be problematic. At the same time, another problematic arose: the soil contamination originating from repeated military training as well as the subsequent contamination of water supplies by rain water seeping into the ground absorbing part of the contaminants (Dontsova, Pennington, Hayes, imunek, & Williford, 2009; M. R. Walsh, Thiboutot, Walsh, & Ampleman, 2012). This phenomenon incurs large decontamination costs and can result in the abandonment of training grounds due to contamination (Michael R. Walsh, Walsh, & Hewitt, 2010). The compounds responsible for the contamination of military training grounds are in part present in elastomers used as binders for propellants. The binders are non-biodegradable as well. In order to make greener propellants, it is not only necessary to replace the contaminants by non-contaminant materials, but also necessary to replace the binder by using new biodegradable materials. Glycidyl azide polymer, a commonly used energetic polymer in binders is non-biodebradable and as such unburned residue will accumulate in the environment. The main objective of this work is to develop new biodegradable energetic binders in the form of polyurethane elastomers. These elastomers could be used as binders for propellants or as a gas generator. Biodegradable polyurethane elastomers have already garnered much attention in the field of biomedical research (Adhikari et al., 2008; He et al., 2012) and some preliminary work has been done towards the development of biodegradable energetic binders (Cossu, 2009). In order to fulfil this objective, three pre-polymers have been synthesised from sebacoyl chloride by polycondensation with polyepichlorohydrin, 3-chloro-1, 2-propanediol and 2-bromo-2-nitro-1,3-propanediol respectively. These pre-polymers were subsequently azided in order to add or increase the energetic content of the pre-polymers. ATR-FTIR, 1H-NMR and 13C-NMR were used to verify the success of the azidations. Success of the azidation reaction was confirmed for the pre-polymers synthesized from polyepichlorohydrin and 3-chloro-1,2-propanediol while the reaction did not occur properly for the pre-polymer made from 2-propanediol and 2-bromo-2-nitro-1,3-propanediol. The lack of energetic groups was confirmed and the reaction product was a solid powder rather than a viscous liquid. DSC was performed on the pre-polymers in order to evaluate the energetic content of the pre-polymers that were successfully azided. The degradation energy of the azide group measured are 1724 J/g for the pre-polymer derived from polyepichlorohydrin and 614 J/g for the pre-polymer synthesized from 3-chloro-1,2-propanediol. Polyurethane elastomers were synthesized from the azided pre-polymers using ethyl ester L-lysine triisocyanate and subsequently characterized. The glass transition temperature of the copoly(ether/ester/urethane) was evaluated at -43oC through DSC and DMA while the Tg of the copoly(ester/urethane) was evaluated at -50oC through DSC. The decomposition energy of the azide groups of the elastomers was also evaluated through DSC and the copoly(ether/ester/urethane) was found to have an azide degradation energy of 1688 J/g while this parameter was evaluated at 601 J/g for the copoly(ester/urethane). Preliminary assessment of the biodegradability was also performed on a period ranging from 5 to 20 days. Weight loss for the copoly(ether/ester/urethane) was evaluated at 5% after 20 days and weight loss for the copoly(ester/urethane) was evaluated at 7% after 15 days. The soluble fraction was characterized through soxhlet extractions and photoacoustic FTIR was performed on the degraded samples in order to observe the evolution of the various chemical bonds presents in the elastomers. The biodegradability results obtained are in accordance with the literature pertaining to the limiting effect of azide groups on the degradation time

Experimental Quantum Information Processing with Photons

This thesis describes experimental generation, manipulation and measurement of quantum information using photon pairs emitted in bulk crystals. Multi-photon sources engineered during the course of this thesis have proven to be ideal for original contributions in the field of optical quantum information. In the first part of this dissertation, we study nonlocality, bound entanglement and measurement-based quantum computing using entangled resources produced by our source. First, we produced and characterised three-photon GHZ polarisation states. We then experimentally violate the long-standing Svetlichny's inequality with a value of 4.51, which is greater than the classical bound by 3.6 standard deviations. Our results agree with the predictions of quantum mechanics, rule out nonlocal hidden-variable theories and certify the genuine tripartite entanglement achievable by our source. Second, with four-photon polarisation states, we demonstrate bound entanglement in Smolin states and realize all of their conceptually important characteristics. Our results highlight the difficulties to achieve the critical condition of undistillability without completely losing entanglement. We conclude the first part by simulating, for the first time, valence-bond solid states and use them as a resource for measurement-based quantum computing. Affleck-Kennedy-Lieb-Tasaki states are produced with 87% fidelity and single-qubit quantum logic gates reach an average fidelity of 92% over all input states and rotations. In the second part of this dissertation, we explore controlled waveform manipulation at the single-photon level. Specifically, we shrink the spectral bandwidth of a single photon from 1740 GHz to 43 GHz and demonstrate tunability over a range 70 times that bandwidth. The results are a considerable addition to the field of quantum frequency conversion and have genuine potential for technological applications