Thèse Simulation Quantique dans des Réseaux Photoniques avec Dimensions Synthétiques H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris Cité École doctorale : Physique en Ile de France Laboratoire de recherche : Matériaux et phénomènes quantiques Direction de la thèse : Florent BABOUX ORCID 0000000237503731 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-06-30T23:59:59 La physique quantique ouvre de nouvelles perspectives pour le traitement et la transmission de l'information, avec des applications prometteuses en calcul, simulation et communication quantiques. Dans ce contexte, les photons jouent un rôle central en tant que porteurs polyvalents de l'information quantique. L'un des enjeux majeurs actuels est de miniaturiser ces fonctionnalités sur une seule puce, tout en exploitant des états quantiques de grande dimension pour faciliter le passage à l'échelle. Ce projet de thèse s'inscrit dans ces défis en utilisant des réseaux de guides d'onde non linéaires fabriqués à partir d'une plateforme semi-conductrice bien maîtrisée (AlGaAs) [1,2]. Un faisceau pompe classique est injecté dans le dispositif, où il génère des paires de photons grâce à la forte non-linéarité optique du matériau. Ces paires de photons passent ensuite d'un guide d'onde à un autre au cours de leur propagation, réalisant des marches quantiques aléatoires. Il en résulte des corrélations spatiales non triviales (intrication) entre les photons en sortie de la puce [2,3]. Comparés à la plupart des études précédentes sur les marches quantiques, les marcheurs sont ici générés directement à l'intérieur du dispositif, et la génération peut avoir lieu à n'importe quelle position le long de l'axe de propagation : au-delà du gain d'intégration, cette configuration permet d'atteindre un niveau d'intrication spatiale significativement plus élevé, en raison des interférences entre des marches quantiques initiées à toutes les positions longitudinales possibles.

En outre, les réseaux de guides d'onde constituent une plateforme puissante pour la simulation quantique. En effet, ils réalisent naturellement un Hamiltonien de type liaison forte (tight-binding), dans lequel des sites discrets (« atomes ») sont couplés par des termes de tunnel. Nous avons récemment montré que cette flexibilité peut être exploitée pour implémenter des Hamiltoniens topologiques et protéger la génération de paires de photons face au désordre [4]. L'objectif de ce projet est d'étendre cette approche à des dimensions supérieures. Pour cela, nous exploiterons le concept de dimensions synthétiques, dans lesquelles les degrés de liberté internes des photons simulent des coordonnées supplémentaires, permettant la réalisation de Hamiltoniens complexes. Plus précisément, en tirant parti de l'analogie entre la direction de propagation et une variable de temps effective, nous (i) simulerons des isolants topologiques de Floquet présentant des modes de bord anomaux sans équivalent statique. Nous (ii) mettrons ensuite en oeuvre un protocole de pompage topologique pour le transfert robuste sur puce d'états intriqués, et enfin (iii) nous étudierons comment un désordre dynamique contrôlé peut améliorer le transport quantique, en transformant la décohérence en ressource utile pour les réseaux quantiques. Ces travaux permettront d'établir les réseaux de guides d'onde non-linéaires comme une plateforme expérimentale puissante pour simuler des problèmes de matière condensée dans un environnement bien contrôlé, et explorer de nouveaux régimes d'interaction lumière-matière à l'échelle microscopique.

[1] F. Baboux, G. Moody, S. Ducci, Optica 10, 917 (2023)
[2] A. Raymond, ..., F. Baboux, Phys. Rev. Lett. 133, 233602 (2024)
[3] A. Raymond, ..., F. Baboux, Optics Express 33, 45869 (2025)
[4] A. Zecchetto, ..., F. Baboux, arXiv 2510.23796 (2025)
Voir résumé du projet de thèse, et fichier pdf ci-joint L'objectif de cette thèse est d'exploiter des réseaux de guides d'ondes non linéaires intégrés pour la simulation quantique et l'ingénierie d'états intriqués de la lumière. Il s'agira en particulier d'exploiter des dimensions synthétiques afin d'étendre ces architectures à des systèmes de plus grande dimension, de simuler des isolants topologiques de Floquet présentant des modes de bord anomaux sans équivalent statique, de mettre en oeuvre des protocoles de pompage topologique pour le transfert robuste d'états intriqués sur puce, et d'étudier le rôle d'un désordre dynamique contrôlé pour améliorer le transport quantique en transformant la décohérence en ressource. Voir résumé du projet de thèse, et fichier pdf ci-joint