Imagerie quantique et calculs dans des milieux dispersifs à l'aide de matrices SPAD.

Quantum imaging and computing in scattering media using SPAD arrays

• Auteur / Autrice : Adrian Makowski
• Direction : Sylvain Gigan, Radosław Łapkiewicz
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2021
• Etablissement(s) : Sorbonne université en cotutelle avec Université de Varsovie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Kastler Brossel (Paris ; 1998-....)

Mots clés

Mots clés libres

Milieu dispersif

Imagerie

Informatique quantique

Matrices SPAD

Scattering medium

Imaging

Quantum computing

SPAD arrays

Résumé

L'équipe de Varsovie a mis au point une plate-forme de microscopie à super-résolution d'échantillons fluorescents, à l'aide de détecteurs à photons uniques et en tirant profit de corrélations quantiques. L'équipe de Paris a développé des techniques d'imageries dans des milieux dispersifs, ainsi que des circuits à petites échelles pour des états quantiques en se servant de milieux dispersifs. Ces deux résultats sont inégalés dans la communauté. Les détecteurs multi-pixels sont un outil indispensable pour continuer à développer ces concepts. En ce qui concerne l'imagerie super-résolution des milieux dispersifs, ils sont essentiels pour extraire les corrélations au sein des motifs d'interférence. Pour ce qui est des circuits quantiques, les détecteurs à photons uniques sont nécessaires pour agrandir ces derniers à des échelles où il est intéressant de traiter de l'information quantique. Dans ce projet, les deux équipes cherchent à combiner leurs savoirs respectifs. À travers un échange entre les deux laboratoires, je souhaite assurer que cette collaboration porte ses fruits. En imagerie, nous comptons développer une plate-forme pratique de microscopie, en utilisant les concepts de SOFISM développés à Varsovie, mais qui puisse fonctionner en profondeur sur des échantillons dispersifs. À Paris, nous comptons continuer à développer les expériences de circuits quantiques fondés sur des fibres multimodes. Les deux dispositifs vont bénéficier des détecteurs à photons uniques multi-pixels récemment développés, commençant par les détecteurs à quelques pixels que nous maîtrisons déjà, et dans un second temps du doctorat s'orientant vers des matrices de détecteurs plus larges (du kilopixel au mégapixel). En microscopie, ces grandes matrices nous permettrons de passer des scans à des champs larges, tandis que les circuits quantiques auront accès à des dimensions supérieures dans l'espace de Hilbert. De manière générale, ce projet de doctorat, s'appuyant sur la technologie émergente des matrices SPAD, fera progresser les domaines de l'imagerie, de la détection, et de l'informatique quantique dans une nouvelle direction.

The team in Warsaw has developed a platform for super-resolution microscopy of fluorescent samples using single-photon detectors and exploiting quantum correlations. Paris has developed techniques for imaging in complex media and exploiting a scattering medium to engineer small-scale circuits for quantum states. These two results are unrivalled in the community. Multi-pixel detectors are an essential tool to develop these concepts further. For super-resolution imaging in complex media, they are needed to extract correlation within a speckle pattern. For quantum circuits, they are needed to scale up the circuits to interesting sizes for quantum information processing. In this project, both teams want to combine their respective expertise. Through back and forth exchange between the two groups, I will seek to cross-fertilize the two domains. In imaging, we plan to develop a practical microscopy platform, exploiting the concepts of SOFISM developed by Warsaw, but able to work at depth in a scattering medium. In Paris, we want to develop further the quantum circuits experiment based on multimode fiber. Both setups will capitalize on newly developed multi-pixel single-photon detectors, starting from the few-pixels single photons detectors that we already master, and moving in the second part of the PhD thesis to large (kilopixel to megapixel) arrays of detectors. In microscopy, large arrays will allow us to switch from scanning to wide-field mode, whereas in quantum circuits we will gain access to higher dimensions of Hilbert space. Overall, this PhD project, capitalizing on the emerging SPAD array technology, will advance the field of quantum imaging, sensing, and computing in an original direction.