Amphi Charpak
Baptiste Courme, doctorant dans l’équipe Nanophotonique et optique quantique.
Transport et manipulation d’états intriqués dans des milieux complexes
La manipulation du front d’onde lumineux a été initialement développée pour corriger les aberrations atmosphériques et permettre une imagerie nette des objets astronomiques. Inspirées par ces avancées, les techniques de mise en forme du front d’onde basées sur des modulateurs spatiaux de lumière ont depuis été adaptées pour étudier la propagation de la lumière dans des environnements très complexes, tels que les milieux désordonnés. Cela a permis de réaliser des progrès significatifs dans la compréhension du transport de la lumière, d’étendre les capacités d’imagerie dans des conditions réelles et même d’ouvrir de nouvelles perspectives pour le calcul optique.
Si ces avancées sont longtemps restées confinées au domaine de l’optique classique, l’essor des technologies quantiques repousse désormais les limites du façonnage du front d’onde vers le régime quantique. Les états quantiques de la lumière, notamment les paires de photons intriqués, les états comprimés et les photons uniques, offrent des avantages uniques pour la mesure de précision, la communication sécurisée et l’étude des fondements de la mécanique quantique. Le défi central ne consiste plus seulement à contrôler le profil spatial ou temporel de la lumière, mais aussi à préserver et à manipuler ses propriétés quantiques, telles que l’intrication, tout en traversant des environnements complexes. Relever ce défi est essentiel pour permettre la communication, l’imagerie et le calcul quantiques en conditions réelles.
Cette thèse aborde cette problématique en étudiant la propagation des états intriqués à deux photons à travers des systèmes complexes tels que des fibres multimodes ou des couches minces diffusantes.
Dans un premier temps, il est montré que la méthode classique de correction du front d’onde, fondée sur la mesure de la matrice de transmission et nécessitant un faisceau laser externe, peut être utilisées pour caractériser et compenser les perturbations introduites par le milieu, permettant ainsi de préserver l’intrication spatiale après la transmission. Par la suite, en combinant les capacités de détection multimode des caméras sensible aux photons uniques, ainsi qu’un modèle théorique décrivant les interférences à deux photons au sein du milieu, j’ai développé un algorithme d’optimisation par rétroaction utilisant les coïncidences spatiales. Cette méthode supprime la nécessité d’un faisceau classique auxiliaire pour corriger les effets de diffusion sur les paires de photons. En parallèle, j’ai étudié la transmission d’états intriqués par polarisation à travers unere multimode. Dans ce cas, nous montrons que la certification de l’intrication peut être obtenue sans correction active de la diffusion. La fibre met en oeuvre de manière passive la mesure projective pour violer une inégalité de Bell à la sortie.
Ensemble, ces résultats établissent de nouveaux outils expérimentaux pour l’utilisation des états quantiques intriqués dans des milieux complexes. Ils contribuent à ouvrir la voie à l’intégration de l’optique quantique dans des environnements réalistes et désordonnés, où les effets de diffusion sont inévitables, et participent ainsi au développement de futures applications en communication, imagerie et information.
Transport and manipulation of entangled states in complex media
The manipulation of the light wavefront also known as wavefront shapingwas originally developed to correct atmospheric aberrations and enable clear imaging of astronomical objects. Inspired by these advances, wavefront shaping techniques based on spatial light modulators have since been adapted to study light propagation in highly complex environments such as disordered media. This has led to significant progress in understanding light transport, extending imaging capabilities in realworld conditions, and even opening new opportunities for analog optical computing. While these achievements have long remained within the domain of classical optics, the rise of quantum technologies is now pushing the frontiers of wavefront shaping into the quantum regime. Quantum states of light, including entangled photon pairs, squeezed states, and single photons, offer unique advantages for sensing, secure communication, and probing the foundations of quantum mechanics.
The central challenge is no longer just to control the spatial or temporal profile of light, but also to preserve and manipulate its quantum properties such as entanglement while propagating through complex environments. Overcoming this challenge is essential for enabling practical quantum communication, imaging, and computation applications.
This thesis addresses this problem by studying how entangled two-photon states propagate through complex systems such as scattering layer and multimode bers.
I show that classical wavefront shaping methods based on the transmission matrix approach requiring an external laser beam can be used to characterize and compensate for the perturbations introduced by the medium, thereby enabling the preservation of spatial entanglement after transmission. Building on this, by leveraging the multimode detection capability of a single-photon-sensitive camera together with a theoretical model of two-photon interference inside the medium, I developed a coincidence-based feedback optimization algorithm that eliminates the need for a classical beam to correct for scattering. In parallel, I investigated the transmission of polarization-entangled states through a multimode ber. In this case we show that entanglement certification can be achieved without active scattering correction. The ber passively implement the projective measurement to violate a Bell inequality at the output.
Together, these results establish new experimental tools for using entangled states in complex media and help pave the way toward the integration of quantum.
Jury
- Yaron Bromberg – Rapporteur
- Fabrice review – Rapporteur
- Eleni Diamanti – Examinatrice
- Stefanie Barz – Examinatrice
- Rémi Carminati – Examinateur
- Hugo Defienne – Directeur de thèse
- Sylvain Gigan – Co-directeur de thèse
