Modélisation de la propagation de photons non-conventionnels en milieux aléatoires diffusants.

La maîtrise de la propagation de la lumière en milieux diffusants (brouillard, tissus
biologiques, eaux turbides) constitue un enjeu stratégique majeur pour l'imagerie et la
télédétection. Dans le domaine maritime, la turbidité de l'eau impose aux systèmes
classiques une véritable "barrière de la vision". L'ambition de cette thèse est de
repousser cette limite en complétant les techniques de LiDAR single photon existantes.
En exploitant une ressource encore inutilisée — photons non-gaussiens ou la
modulation temporelle des photons — nous visons à accroître significativement les
performances de détection. Cette transition vers une optique quantique de
l'information vise à atteindre des seuils de sensibilité aujourd'hui inaccessibles aux
approches conventionnelles.

Ce projet de thèse vise à comprendre, modéliser et exploiter la propagation d’états lumineux
modulés (photon unique ou impulsion très faible) dans un milieu aquatique désordonné, afin
d’améliorer les performances du LiDAR sous-marin (portée, précision en distance, contraste
cible/fond). La thèse s’appuie sur une approche physique théorique et numérique : construction
de modèles de propagation, simulation de la rétrodiffusion, prise en compte des paramètres de
transport (diffusion/absorption/anisotropie), puis optimisation de l’état du photon et/ou de la
forme d’onde en fonction d’un critère opérationnel lié à la télédétection.

La démarche est structurée en trois axes interconnectés : (1) modélisation de la source « non-
gaussian photon states » et « photon shaping », (2) modélisation du milieu comme canal de
propagation diffusant aléatoire et fluctuant, (3) exploitation pour l’estimation/détection en vue
d’un contexte LiDAR.

Une coloration informationnelle (Shannon-Fisher / Théorie Quantique de l’information / Théorie
Géométrique de l’Information) pourra être introduite dans un second temps, lorsque les
modèles physiques seront établis et validés.

Le Laboratoire des Sciences et Techniques de l’Information, de la Communication
et de la Connaissance (Lab-STICC) est une unité mixte de recherche du CNRS (6285). Il
fédère les équipes de 3 écoles d’ingénieurs et 2 universités en Bretagne : ENSTA, IMT
Atlantique, Bretagne INP, UBS et UBO.
Le Lab-STICC couvre un large spectre scientifique autour des sciences du numérique
lui permettant d’adresser des champs disciplinaires variés (de la conception de
dispositifs hyperfréquences aux interfaces homme-machines) selon des secteurs
applicatifs multiples intéressant la défense et l’industrie civile, comme l’(aéro)spatial, le
maritime, la santé ou la sécurité.

Le Laboratoire d'optique appliquée (LOA) est une unité mixte de recherches du CNRS
(7639) qui dépend de l’ENSTA et de l’École polytechnique.
Le LOA est une institution de recherche reconnue dans le domaine de l’optique
appliquée utilisant des systèmes laser femtosecondes. Située à l’intersection de la
recherche fondamentale et de l’innovation technologique, LOA mène une gamme
diversifiée d’activités de recherche couvrant divers domaines de l’optique, de la
photonique, de la science du laser et de la science des matériaux. Un domaine de
recherche important au LOA est la physique des lasers et l’optique ultrarapide. Le
laboratoire explore les propriétés fondamentales des lasers et leur interaction avec la
matière, dans le but de faire progresser la compréhension des phénomènes laser et de
développer de nouvelles sources laser avec une performance, une efficacité et une
fonctionnalité améliorées. Cette recherche permet des percées dans des domaines tels
que les lasers de haute puissance, les lasers ultra-rapides, la spectroscopie laser et la
caractérisation des matériaux à base de laser.

Le.la candidat.e, titulaire d’un diplôme d’ingénieur ou d’un master, doit posséder une
solide formation en physique quantique générale et idéalement en optique quantique.
Il.Elle devra avoir un goût affirmé pour la modélisation physique théorique et les
formalismes mathématiques associés.
Le.la candidat.e pourra bénéficier en interne d’un support scientifique de la part des
membres de l’équipe sur les problématiques spécifiques liées au projet. Il est en
revanche demandé un.e candidat.e motivé.e et appréciant le travail en collaboration au
sein d’un projet de recherche novateur.

Point important : le financement de cette thèse implique que le candidat soit de nationalité française ou européenne.