Le calcul et la simulation quantiques reposent sur des processus qui intriquent les qbits, ces derniers pouvant être des états de la matière ou de la lumière. Le photon est à même de transporter information et intrication d’un point à un autre et de plus il possède plusieurs variables quantiques comme le moment angulaire de spin (SAM) lié à la polarisation et qui a deux états ou le moment angulaire (OAM) lié au twist du front d’onde, qui peut prendre toute valeur entière relative et qui offre ainsi une base de codage étendue.

Le mélange à 4 ondes spontané (SFWM pour Spontaneous Four Wave Mixing) est un processus non-linéaire avéré qui produit des paires photoniques intriquées. Différents milieux non-linéaires peuvent être utilisés pour cette interaction lumière-matière comme une vapeur atomique où l’atome une fois excité par deux photons se désexcite en produisant une paire de photons.

La question scientifique posée pour cette thèse est la compréhension de l’intrication lorsque le SFWM est adressé avec des lasers portant un OAM ou plusieurs OAM. Vu l’étendue de la base des OAM, cette situation conduit à une intrication à plusieurs qbits. On veut notamment comprendre comment elle dépend du schéma atomique utilisé et si la cohérence perdure entre les photons d’OAM différents.

La figure ci-contre illustre le cas du rubidium excité par deux laser @ 780 & 776 nm qui produit des paires @ 5230 & 420 nm ou @762 & 795 nm et donne le principe de l’expérience.

Le vortex optique est un laser qui porte une phase hélicoïdale - une sorte de vis sans fin - qui lui confère un OAM est liée au sens de l’hélice et à son nombre de branches. L’approche proposée consiste à appliquer des vortex portant un ou plusieurs OAM et à analyser les ondes de sortie selon le type de schéma atomique utilisé. Le projet de thèse combine des développements théoriques et expérimentaux.

Le groupe d’accueil maitrise la génération et la caractérisation de vortex optiques portant des OAM pouvant atteindre 100ℏ. Il utilise le façonnage de la phase par « Spatial Light Modulator » pour générer des modes de Laguerre-Gauss (une base des vortex). Le groupe pratique le SFWM avec vortex optiques appliqués à des atomes froids ou chauds¹ et possède un ensemble expérimental adapté. Par ailleurs il a commencé une étude comparative des deux schémas mentionnés ci-dessus² . Il collabore de longue date avec une équipe de Recife qui étudie le FWM impliquant plusieurs vortex optiques³ .

Au-delà de l’intrication à plusieurs OAM, les vortex optiques sont adaptés pour examiner les questions de turbulence ou de chiralité vues au travers de ces ondes twistées⁴ , leur propagation et leur interaction non linéaire avec des milieux. Le sujet proposé permet cette extension.

Le sujet proposé répond à l’AAP en ce qui concerne « Quantum computing (including simulation) and communications » dans son approche amont de l’utilisation de l’OAM et de son intrication. On sait depuis 2014 que l’OAM permet le codage et le multiplexage⁵. Ajouter l’intrication ouvre des possibilités pour le calcul quantique.

La thèse sera dirigée par Laurence Pruvost, directrice de recherche du CNRS au LCPMR, une unité mixte CNRS-Sorbonne-Université. Son expertise concerne la spectroscopie, les atomes froids, le façonnage laser et les vortex optiques. Au sein du LCPMR d’autre chercheurs et enseignants-chercheurs -théoriciens notamment- s’intéressent à l’OAM en interaction avec des atomes ce qui donne un contexte d’échange élargi.

Une formation de physique générale, incluant la physique quantique, l’optique et ses méthodes ou une formation incluant de la spectroscopie seront adaptées à ce sujet mêlant théorie et expérience.

1. ¹ High helicity vortex conversion in a rubidium vapor, A Chopinaud, M Jacquey, BV de Lesegno, L Pruvost, Phys Rev A 97, 063806, 2018.
2. ²Orbital Angular Momentum entanglement by Spontaneous Four Wave Mixing realized in a vapor by vortex beams of same handedness, M Baker-Rasooli, L Pruvost, soumis.
3. ³Storage of orbital angular momenta of light via coherent population oscillation AJF De Almeida et al. , Opt. Lett. 40, 2545, 2015.
4. ⁴Vortex optiques en interaction avec des atomes, pour Reflets de la Physique 2021 L Pruvost, T Ruchon, reflets de la physique, à paraitre.
5. ⁵ Communication with spatially modulated light through turbulent air across Vienna, M Krenn et al. , New Journal of Physics 16, 113028, 2014 ; High-capacity millimetre-wave communications with orbital angular momentum multiplexing, Y Yan et al. Nat. Com. 5, 4876, 2014.