De l'optique quantique THz à l'aide de lasers à cascade quantique

THz Quantum Optics with Quantum Cascade Lasers

• Auteur / Autrice : Anna Devetter
• Direction : Sukhdeep Dhillon
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2022
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique de l'École normale supérieure

Mots clés

Mots clés libres

Optique

Quantique

Lcq

Time domain spectroscopy

Terahertz

Optics

Quantum

Qcl

Spectroscopie résolue en temps

Terahertz

Résumé

Les plateformes de technologie quantique, capables d'exploiter les états non classiques des atomes, la lumière et les systèmes de la matière condensée, ont récemment été introduites dans de nombreux domaines stratégiques comme les communications, les calculs informatiques, les systèmes de détection ou encore la métrologie. Certaines de ces plateformes ont été développées avec beaucoup de réussite dans les gammes spectrales du visible et du proche infra-rouge. Ces avancées ont motivés la volonté d'étendre l'utilisation de ces plateformes quantiques à d'autres gammes spectrales dont les caractéristiques spécifiques ne sont pas encore exploitées. L'application de ces plateformes au domaine de fréquences des Terahertz (THz) est concrètement difficile à mettre en place mais possède un important potentiel technologique. En effet, les particularités des radiations THz, i.e. leur diffusion à travers les matériaux opaques, ou leur résistance en ce qui concerne la diffusion de Rayleigh, peuvent potentiellement conduire à de nombreuses applications comme le transfert rapide de données digitales à travers des environnements opaques ou difficiles (poussière, brouillard...) ou l'amélioration quantique de la sensibilité des équipements spectroscopiques et métrologiques THz. Nous souhaitons donc développer une plateforme solide miniaturisée pour la génération, la détection et la caractérisation complète des états non classiques comprimés des fréquences THz. Les peignes de fréquences émis par des lasers à cascade quantiques (LCQ) THz vont être utilisés comme sources non linéaires. Des détecteurs à double cavités couplées vont également être développés. Les LCQ sont les lasers les plus efficaces et compactes disponibles aux fréquences THz, et les peignes de fréquences, produits par des processus de mélange à quatre ondes, sont des candidats idéaux pour la génération d'états comprimés multi-modes de la lumière.

Quantum technology (QT) platforms, capable of exploiting non-classical states of atoms, light and solid-state systems, have been recently conceived in a variety of strategic fields, such as communication, computation, information, sensing and metrology. Successful achievements in the visible and in the near-infrared parts of the electromagnetic spectrum, has led to advancements in highly-integrated quantum platforms. This has motivated the extension of QT to non-conventional spectral regions, whose peculiar features are still underexploited. In this regard, QT migration to the terahertz (THz) frequency range is technologically challenging, although of huge technological potential. In fact, the peculiar features of THz radiation, e.g. transmissivity through otherwise opaque materials, or robustness with respect to Rayleigh scattering, can potentially allow a plethora of frontier applications, such as quantum-secured fast digital data transfer in opaque or harsh environments (dust, smog, particulate) or quantum enhanced sensitivity in spectroscopic and metrological THz setups. Here we will develop a miniaturized solid-state platform for generation, detection and complete characterization of non-classical squeezed states of THz frequency light. This will exploit THz quantum cascade laser (QCL) frequency combs (FCs) as nonlinear sources and cavity-coupled coherent detectors. QCLs are the most efficient compact lasers at THz frequencies and FC generation, based on four-wave mixing (FWM) processes, render QCLs as ideal candidates for the generation of multi-mode squeezed states of light.