Amphithéâtre Astier, bâtiment Esclangon
Chloé Vernière, doctorante dans l’équipe Nanophotonique et optique quantique
Encoder, détecter et décoder des images dans les corrélations quantiques
En photonique quantique, les paires de photons intriqués constituent une ressource fondamentale, à la fois pour l’étude des fondements de la mécanique quantique et pour des applications émergentes telles que l’informatique quantique, les communications sécurisées, l’imagerie et la détection. En pratique, ces paires peuvent être générées de manière fiable par conversion paramétrique spontanée dans un cristal non linéaire. Les propriétés de ces photons sont alors déterminées par le type et la géométrie du cristal, ainsi que par les caractéristiques du faisceau de pompe. Le contrôle de ces propriétés s’avère crucial pour de nombreuses applications.
Dans cette thèse, nous montrons comment les corrélations spatiales des paires de photons intriqués peuvent être structurées en images d’amplitude et de phase arbitraires en modulant l’illumination du cristal. L’image d’un objet réel peut ainsi être efficacement encodée dans les corrélations des paires, tout en demeurant invisible pour les mesures d’intensité conventionnelles. Cette technique établit ainsi une nouvelle approche de l’imagerie optique, dans laquelle les informations de l’objet sont portées par les corrélations entre les photons plutôt que par l’intensité ou la phase des champs optiques, comme dans les méthodes classiques.
Nous utilisons cette technique pour proposer un nouveau paradigme d’imagerie à travers les milieux diffusants, lesquels perturbent fortement la propagation de la lumière et rendent l’imagerie classique inefficace. Les approches classiques ‐ telles que l’inversion computationnelle ou le contrôle de front d’onde ‐ permettent, en principe, de compenser la diffusion, mais elles se révèlent en pratique très sensibles au bruit et aux pertes, et n’offrent qu’un contrôle limité des modes. À l’inverse, notre approche exploite une propriété fondamentale de l’intrication quantique : la préservation des corrélations entre photons sur plusieurs bases de mesure. En modulant le désordre optique engendré par un milieu diffusant, les images encodées dans les corrélations quantiques peuvent être reconstruites par détection de coïncidences, sans jamais inverser le processus de diffusion.
Ce travail démontre la possibilité d’encoder, de détecter et de transmettre des informations à haute dimension à l’aide de corrélations quantiques, ouvrant ainsi de nouvelles perspectives pour la communication et l’imagerie quantiques.
Encoding, detecting and unscrambling images in quantum correlations
In quantum photonics, entangled photon pairs are a fundamental resource that underpins studies of the foundations of quantum mechanics, as well as emerging applications in quantum computing, secure communication, advanced imaging, and sensing. These pairs can be reliably generated in practice by spontaneous parametric down‐conversion in a nonlinear crystal. The properties of these photons are determined by the type and geometry of the crystal, as well as by the characteristics of the pump beam. Controlling these properties is crucial for many applications.
In this thesis, we demonstrate how the spatial correlations of entangled photon pairs can be shaped into arbitrary amplitude and phase images by modulating the crystal’s illumination. Consequently, the image information of a real object is effectively encoded within the pair correlations and remains invisible to conventional intensity measurements. This establishes a new approach to optical imaging, whereby information is carried by correlations between photons rather than by the intensity or phase of the optical fields, as in classical methods. Building on this capability, we introduce a new paradigm for imaging through complex media. Such media typically scramble light, rendering classical imaging ineffective. Classical methods such as computational inversion or wavefront shaping — can, in principle, undo scattering. In practice, however, they are highly sensitive to noise and loss, and permit only limited mode control. In contrast, our approach harnesses a fundamental property of quantum entanglement:
the preservation of photon correlations across multiple measurement bases. By tailoring the optical disorder of a scattering layer, entanglement‐encoded images of hidden objects can be reconstructed at the output through coincidence detection, thus bypassing the inversion of the scattering process.
This work enables the encoding, detection, and transmission of high‐dimensional information using quantum correlations, offering new pathways for quantum communication and imaging.
Jury
- Jacopo Bertolotti, rapporteur
- Maria Chekhova, rapporteure
- Robert Boyd, examinateur
- Sara Ducci, examinatrice
- Nicolas Treps, examinateur
- Hugo Defienne, directeur de thèse
