Nouveaux états quantiques de la lumière

New Quantum States of Light

• Auteur / Autrice : Gaspar Mougin-trichon
• Direction : Benoit Boulanger, Véronique Boutou
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Optique et Radiofréquences
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2025
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Néel
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : OPTIMA Optique et MATERIAUX

Mots clés

Mots clés libres

Optique quantique

Cavités optiques

Optique non linéaire

Physique des laser

Conversion de fréquence

Optique cristalline

Laser physics

Optical cavities

Quantum optics

Crystal optics

Frequency conversion

Nonlinear optics

Résumé

Cette thèse de doctorat porte sur la génération de nouveaux états quantiques de la lumière par la génération de triplets de photons (TPG) qui est un processus optique non linéaire de troisième ordre (λ₀ → λ₁ + λ₂ + λ₃). Contrairement aux sources traditionnelles de lumière quantique, le TPG permet la production directe d'états intriqués à trois photons, offrant de nouvelles possibilités pour l'information quantique. Des travaux expérimentaux récents réalisés par le groupe Boulanger à l'Institut Néel ont démontré que la TPG était stimulée sur un seul mode, marquant ainsi une étape importante. Le prochain défi, abordé dans cette thèse, est de réaliser la TPG spontanée dans la gamme des télécommunications, ce qui permettrait la génération d'états à deux photons annoncés pour une distribution de clés quantiques réaliste. Cependant, la TPG spontanée présente un large étalement spectral, ce qui rend nécessaire la mise en œuvre d'un oscillateur paramétrique optique (OPO) de troisième ordre pour sélectionner un seul triplet. Cette recherche impliquera des approches à la fois expérimentales et théoriques, y compris la conception de l'OPO, l'atteinte du seuil d'oscillation et la caractérisation quantique des états générés à l'aide de détecteurs de photons uniques à nanofils supraconducteurs (SNSPD). Le projet est mené en collaboration avec Cristal Laser SA et le C2N.

This PhD thesis focuses on the generation of novel quantum states of light through Triple Photon Gen-eration (TPG) that is a third-order nonlinear optical process (λ₀ → λ₁ + λ₂ + λ₃). Contrary to traditional sources of quantum light, TPG enables direct production of three-photon entangled states, offering new possibilities for quantum information. Recent experimental work performed in Boulanger group at Néel Institute has demonstrated TPG stimulated on a single mode, marking a significant milestone. The next challenge, addressed in this thesis, is to achieve spontaneous TPG in the telecom range, which would allow the generation of heralded two-photon states for realistic quantum key distribution and qubit am-plification. However, spontaneous TPG exhibits a broad spectral spreading, making it necessary to implement a third-order optical parametric oscillator (OPO) to select a single triplet. This research will involve both experimental and theoretical approaches, including the design of the OPO, reaching the oscillation threshold, and performing quantum characterization of the generated states using supercon-ducting nanowire single-photon detectors (SNSPDs). The project is in collaboration with Cristal Laser SA and C2N.