Thèse Ntégration d'Émetteurs de Photons Uniques et de Détecteurs de Photons Uniques Supraconducteurs dans une Plateforme Photoniques en Hbn H/F Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : École supérieure de physique et de chimie industrielles de la Ville de Paris - PSL (ESPCI Paris - PSL) École doctorale : Physique en Ile de France Laboratoire de recherche : Laboratoire de Physique et d'Etude des matériaux Direction de la thèse : Cheryl FEUILLET-PALMA Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-10-31T23:59:59 L'essor des technologies quantiques a mis en évidence deux défis majeurs : le contrôle précis des processus quantiques cohérents et la conversion efficace à grande échelle des résultats quantiques en signaux classiques. L'approche de la photonique quantique repose sur des sources et des détecteurs de photons uniques, qui sont des composants essentiels pour de nombreuses applications dans le domaine des sciences de l'information quantique, telles que l'informatique quantique et la simulation.

Les solutions les plus avancées reposent actuellement sur des émetteurs de photons uniques démultiplexés externes ou sur des processus probabilistes sur puce et des détecteurs externes. Cependant, ces méthodes souffrent d'une efficacité limitée, ce qui rend difficile leur transposition à des expériences multiphotoniques. Ce goulot d'étranglement technologique est principalement dû à l'absence de techniques descendantes fiables permettant l'intégration contrôlée et reproductible de sources et de détecteurs de photons uniques à haute efficacité et haute fréquence directement dans les circuits photoniques qui réalisent les portes optiques nécessaires.


Cette proposition de thèse porte sur la réalisation expérimentale de détecteurs de photons uniques à nanofils supraconducteurs (SNSPD) intégrés dans des circuits photoniques en nitrure de bore hexagonal (hBN). Le projet vise à mettre au point une plateforme photonique quantique entièrement intégrée où les photons uniques sont générés, acheminés et détectés sur la même puce avec un rendement élevé. À travers trois axes de recherche principaux - la fabrication et l'optimisation des SNSPD, la caractérisation expérimentale des performances des détecteurs et l'intégration dans des démonstrateurs photoniques quantiques -, nous développons
une plateforme à base de hBN pour des expériences quantiques sur puce. Les travaux explorent également des matériaux supraconducteurs à haute température tels que le BSCCO afin de réduire les exigences en matière de cryogénie. The rise of quantum technologies has highlighted two major challenges: the precise control of coherent quantum processes and the efficient large-scale conversion of quantum results into classical signals. The quantum photonics approach relies on single-photon sources and detectors, which are essential components for many applications in quantum information science, such as quantum computing and simulation.

The most advanced solutions currently rely on external demultiplexed single-photon emitters or on-chip probabilistic processes and external detectors. These methods suffer from limited efficiency , making it difficult to scale up to multi-photon experiments. This technological bottleneck is mainly due to the lack of reliable top-down techniques for the controlled and reproducible integration of high-
efficiency , high-frequency single-photon sources and detectors directly into the photonic circuits that perform the necessary optical gates.

This PhD proposal focus on the experimental realization of integrated superconducting nanowire single-photon detectors (SNSPDs) in hexagonal boron nitride (hBN) photonic circuits. The project aims to achieve a fully integrated quantum photonic platform where single photons are generated, routed, and detected on the same chip with high efficiency . Through three main research axes - fabrication and optimization of SNSPDs, experimental characterization of detector performance, and integration into quantum photonic demonstrators - we develop an hBN-based platform for on-chip quantum experiments. The work also explores high-temperature superconducting materials like BSCCO to relax cryogenic requirements. The project is structured along three main research axes:
-Fabrication, optimization of SNSPDs integrated into hBN photonics' circuits and characterisation of the detectors' performance at
cryogenic temperatures.
-Integration of SNSPDs into quantum photonic demonstrators including single photon emitters based on colour centres in hBN.
-Demonstration of full on-chip two-photon interference Three main will be carried out along this proposal :
Axis 1: Fabrication and Optimization of hBN-Integrated SNSPDs
The baseline detector material is niobium nitride (NbN), as a forward-looking perspective, we will investigateBi$_2$Sr$_2$CaCu$_2$O$_{8+x}$ (BSCCO) nanowires.
Axis 2: Experimental Characterisation of SNSPDs
SNSPDs Key performance parameters to be characterised at 1K and 20 K under 1.55 micron and 450 nm wavelength.
Axis 3: Quantum Photonic Demonstrators fully integrated on chip
-Hanbury Brown-Twiss (HBT) Experiment
-Hong-Ou-Mandel (HOM) Interference