Thèse Sculpter des États Quantique Non-Gaussiens avec des Boites Quantiques Semiconductrices H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Physique École doctorale : Ondes et Matière Laboratoire de recherche : Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies Direction de la thèse : Pascale SENELLART ORCID 0000000287271086 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-04-30T23:59:59 Les boites quantiques (QD) à semi-conductrices intégrées dans des cavités optiques [1] constituent une source puissante et efficace de non-linéarité quantique [2]. L'exploitation de cette non-linéarité optique permet la génération déterministe d'états non gaussiens et le traitement de la lumière quantique, avec des applications dans l'informatique et les communications quantiques. Grâce aux récentes avancées technologiques, ces dispositifs développés en collaboration avec la start-up Quandela présentent désormais une cohérence quantique élevée et permettent de produire des états quantiques avec une négativité de Wigner mesurable. Associés à un fonctionnement à haute fréquence d'horloge (> 10 MHz), ils constituent un atout intéressant pour être intégrés dans les technologies quantiques à variables continues (CV) afin de générer les états non gaussiens nécessaires à l'informatique quantique CV universelle.
Ce projet de thèse s'appuiera sur l'interaction de la lumière avec ces dispositifs pour adapter la génération des états quantiques disponibles au-delà de l'émission de photons uniques, en s'intéressant tout particulièrement aux états-ressources dotés d'une structure d'espace de phase pour les technologies CV. Dans ce cadre, les états sont caractérisés à l'aide de la tomographie de Wigner. En utilisant ces dispositifs uniquement comme émetteurs de photons uniques, nous avons récemment développé au C2N une technique permettant de mesurer pour la première fois, avec des émetteurs à l'état solide, une fonction de Wigner monomode présentant une négativité de Wigner pouvant atteindre -0,4 [3]. La thèse de doctorat se concentrera sur l'adaptation de la génération d'états non gaussiens à l'aide des dispositifs cavité-QD, avec plusieurs points à aborder.

Tout d'abord, la technique de tomographie de Wigner [3] sera étendue afin de permettre la reconstruction complète des états multimodaux générés par la dynamique d'interaction entre la lumière et les points quantiques. Cela implique de relever deux défis majeurs : (i) identifier et déplacer efficacement les modes spectro-temporels occupés [4], et (ii) reconstruire les statistiques du nombre de photons de chaque mode à partir d'événements de détection de photons individuels.
Deuxièmement, la recherche doctorale se concentrera sur la génération d'états multiphotoniques, tels que les états quantiques photoniques de type « cat » [5], qui constituent des états-ressources essentiels pour l'informatique quantique à variables continues tolérante aux pannes.
Troisièmement, les techniques développées dans le cadre de ce travail constitueront les premières étapes vers la démonstration expérimentale de la soustraction de photons uniques à l'aide de dispositifs cavité-QD [6], où l'identification de la structure multimode et la détermination précise de l'occupation des modes sont des éléments essentiels [7].
Ce doctorat porte sur l'intégration de sources à boites quantiques dans les technologies quantiques à variables continues. Au cours de la dernière décennie, les boites quantiques intégrées dans des cavités optiques se sont imposées comme des sources hautement efficaces et quasi idéales de photons uniques indiscernables. En tant que systèmes à quelques niveaux, ils présentent de fortes non-linéarités optiques qui permettent la génération d'états de lumière non gaussiens.
Grâce aux progrès récents en matière de fabrication de dispositifs, qui ont permis une réduction significative du bruit à l'état solide, cette non-linéarité est désormais stable en phase. Cette évolution ouvre de nouvelles perspectives pour ces systèmes, qui peuvent désormais fonctionner non seulement comme d'excellents émetteurs de photons uniques, mais aussi comme sources d'états non gaussiens plus complexes présentant des relations de phase bien définies entre les états de Fock individuels, ouvrant ainsi la voie à des applications dans les technologies quantiques à variables continues.
Le projet doctoral comporte trois objectifs principaux:
- Mise au point de méthodes permettant de réaliser une tomographie de Wigner multimodale compatible avec la détection par comptage de photons individuels
- Démonstration de la génération d'états quantiques photoniques de type « chat » grâce à l'interaction cavité-lumière améliorée par cavité
- Première étape vers la soustraction déterministe de photons individuels à l'aide de dispositifs cavité-QD
La thèse se déroulera au sein du groupe GOSS au C2N dans le groupe dirigé par Pascale Senellart.
La stratégie du projet consiste à minimiser les risques et à augmenter progressivement le niveau de difficulté des expériences. Nous commencerons par mettre en oeuvre une reconstruction multimodale dans la tomographie de Wigner, compatible avec des détecteurs à comptage de photons uniques, afin de réaliser une tomographie complète de l'espace de Hilbert des états quantiques générés par nos dispositifs. Nous tirons parti des connaissances acquises ces dernières années pour réaliser une tomographie de Wigner d'états à photon unique occupant un seul mode optique. Cette tomographie sera ensuite utilisée pour démontrer la génération d'états quantiques multiphotoniques ou multimodaux, y compris des états de chat optiques.

Etudiant avec une solide formation en optique quantique et un goût prononcé par l'experimentation, souhaitant contribuer à un project scientifique collaboratif et international.