Corrélations et intrication de photons pour la spectroscopie quantique avancée

Contexte scientifique

L’essor et le développement des technologies quantiques reposent sur notre capacité à contrôler, générer et manipuler les états quantiques de particules suivant les concepts d’intrication et de superposition et ainsi former des bits quantiques ou Qubits. Ces piliers constituent un socle pour le développement des capteurs quantiques, de protocoles de communication sécurisés, de systèmes de cryptage. La mise en place et le développement de telles applications a ainsi entrainé une course aux émetteurs « parfaits », i.e. des émetteurs capables de produire de façon déterministique des photons uniques indiscernables ou des paires de photons intriqués.

Des photons uniques peuvent être produits par des processus non linéaires dans des matériaux, notamment des sources déterministes basées sur des points quantiques semi-conducteurs et des sources probabilistes via la conversion paramétrique spontanée (SPDC) ou le mélange à quatre ondes spontané (SFWM). Les sources à points quantiques présentent des avantages en termes de pureté et de luminosité, mais elles rencontrent des défis significatifs pour des applications pratiques, tels qu'une accordabilité spectrale limitée, un couplage dispositif-fibre avec pertes et la nécessité d'un refroidissement cryogénique. À l'inverse, les sources SPDC et SFWM sont intéressantes grâce à leur fonctionnement à température ambiante, la haute qualité des photons générés et des coûts de préparation et de maintenance relativement faibles. Les flux importants de paires de photons générés par les SPDC permettent d’envisager l’utilisation de ces sources pour le développement de techniques de spectroscopie utilisant l’intrication, e.g. réalisation d’imagerie quantique.

Objectifs de la thèse

Le projet de thèse vise à développer une plateforme expérimentale permettant caractériser finement les sources de photons unique ou de paires de photons mais également de développer de nouvelles techniques de spectroscopies, basées sur l’intrication en polarisation, pour améliorer ces caractérisations (temps d’acquisition, amélioration du rapport signal/bruit).

Dans un premier temps, les propriétés d’émission de nanoparticules semiconductrices colloïdales individuelles seront explorées par spectroscopie optique confocale à différentes températures (de 1.5 K à 300 K) et sous champs magnétique intense (< 9T). Nous nous intéressons également aux corrélations de photon pour caractériser les sources de photons (photons unique, cascade de photons,…) et ensuite aux propriétés de ces flux de photons (indiscernabilité, intrication/corrélations) via des expériences de type Hong-Ou-Mandel.

Dans un second temps, les paires de photons issues d’une source SPDC ou de cascade radiative de quantum dots seront utilisées pour développer une spectroscopie de type « heralded » afin d’améliorer le rapport signal/bruit et obtenir une résolution temporelle accrue.

L’IEMN (Institut d’Électronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie), situé sur le campus de l’Université de Lille, est une unité mixte de recherche (CNRS/Université de Lille) spécialisée en nanotechnologies, microélectronique et systèmes quantiques.

Avec 450 chercheurs et ingénieurs, il est l’un des 5 grands centres technologiques français du réseau RENATECH, offrant des plateformes de pointe pour la caractérisation multiphysique et l’innovation en collaboration avec des partenaires académiques et industriels.

Son emplacement stratégique, à 1 heure de Paris, Londres et Bruxelles, en fait un pôle majeur pour la recherche interdisciplinaire.

Ce projet de thèse sera réalisé au sein de l’équipe « Physique des nanostructures et dispositifs quantiques » (plus d’informations sur https://www.iemn.fr/la-recherche/les-groupes/physique/nanostructures-quantum).

Formation : Master 2 (ou équivalent) en physique, optique quantique, nanophotonique ou science des matériaux.

Compétences : Connaissances solides en optique quantique, spectroscopie et manipulation de photons uniques. Expérience en laboratoire (montage expérimental, caractérisation optique, cryogénie). Maîtrise des outils d’analyse de données (Python, MATLAB, LabVIEW).

Qualités personnelles : Autonomie, rigueur et goût pour le travail expérimental. Capacité à travailler en équipe et à communiquer en anglais (écrit et oral).