Nouvelles fibres optiques pour des applications de cryptographie quantique.

Sujets de thèse

Intitulé de la thèse
Nouvelles fibres optiques pour des applications de cryptographie quantique.
Publication du sujet sur le site de l’ABG : NON
Nature du financement : Financement institutionnel, Contrat Doctoral, Financement régional, Contrats université sur projets,)
Domaine de compétences principal (pour l’ABG) : Physique
Domaine de compétences secondaire (pour l’ABG) : Sciences pour l’Ingénieur
Spécialité de doctorat : Electronique des hautes fréquences, Photonique et Systèmes

Lieu de travail
Institut de recherche XLIM
UMR CNRS 7252
Université de Limoges
Laboratoire d’accueil : XLIM/PHOTONIQUE

Introduction
Le sujet de thèse proposé repose sur le développement de nouvelles fibres optiques pour les applications de cryptographie quantiques.

Présentation de l’équipe de recherche
The Gas-Phase Photonic and Microwave Materials (GPPMM) is a newly established research group of XLIM Research institute. It stems from Prof. Benabid GPPM (Gas-Phase Photonic Materials) research group at the University of Bath which is now transferred with all the laboratory equipments to XLIM on one hand, and from the pre-existing experience and facilities of XLIM in optical fiber on the other hand. The GPPM has been the world pioneering and leading research group on hollow-core PCF and its applications for gas-phase materials based quantum and nonlinear optics. This international leadership is substantiated by a recent report by the Institute of Physics (IOP) and the Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC, UK) on the research of optics and photonics in the United Kingdom, which has ranked Prof. Benabid’s GPPM as a word-leading research group (see footnote1 for the internet link). A further example of this pioneering and leading role was demonstrated during the leading conference in laser and optoelectronic CLEO 2008, Baltimore, US, where the GPPM group contribution to the “symposium on hollow-core photonic crystal fiber” represented 45% of the 20 presented papers. In parallel, XLIM work on photonic crystal fiber has enjoyed an international standing. Within the context of topic of the present project, the GPPMM is involved in international collaboration with the University of Oregon to develop photonic materials for quantum information applications. This project will capitalise on GPPMM pioneering work on frequency conversion in gas-filled HC-PCF.

Résumé de la thèse en français
Le projet propose de lever un verrou technologique qui jusqu’à présent a handicapé l’avancement de l’information quantique. Celui-ci réside dans l’impossibilité de trouver un milieu qui permet une forte interaction optique nonlinéaire paramétrique sans effets parasitaires. En effet, les réseaux de cryptographie quantique sont devenus une technologie très prometteuse. Celle-ci repose sur la génération et dissémination de paires de photons dont l’état quantique est non-classique dit état corrélé ou intriqué. Aujourd’hui l’état de l’art de cette technologie nouvelle est en manque criant de sources laser suffisamment fiables pour assurer la génération de ces photons. En parallèle, Les fibres optiques à cœur creux à cristal photonique ont récemment démontré leurs potentialités et leur flexibilité à créer de fortes interactions optiques nonlinéaires via le remplissage du cœur d’air par des gaz. Ce projet a pour ambition de mettre à profit ce concept renforcé par la conception de fibres à cœur creux particulières pour répondre aux besoins de la réalisation d’une nouvelle génération de sources de paires de photons corrélées ou intriquées. En particulier, cette approche permet pour la première la génération de photons corrélés sans l’effet parasitaire de la diffusion Raman; un facteur essentiel dans le développement de tels réseaux. Le projet consiste donc en la réalisation de ces fibres et la mise en place de dispositif expérimental pour la génération de paire de photons corrélés.

Résumé de la thèse en anglais
Quantum key distribution networks are a very promising technology. This relies on the generation and dissemination of photon pairs whose quantum state is non-classical, and coined entangled or correlated photons. Today’s state-of-the-art of this emerging technology is suffering from the lack of ideal laser sources that could generate these photons. In parallel, Hollow-Core Photonic Crystal Fibers (HC-PCF) have already proven to be an excellent platform for nonlinear optics when its core is filled with a active gas. This project aims to capitalise on these capabilities to design HC-PCF whose optical and physical properties are tailored so to develop a new generation of correlated photon source based on HC-PCF and free from the parasitic effect of spontaneous Raman scattering. Correlated photon sources displaying no Raman noise are an exciting perspective for the development of quantum key distribution networks but are only one of the possible applications opened by these new fibres. The project consists of fabricating these new HC-PCF and assembling the experimental set-ups for the photon pair generation.

Description complète du sujet de thèse
Le récent développement des fibres optiques à bande interdite photonique (BIP) à cœur creux a révolutionné le domaine des interactions laser/gaz. Ces fibres permettent de propager la lumière dans un cœur creux sur des distances kilométriques. Cette propriété remarquable offre ainsi la possibilité de confiner fortement la lumière et le gaz sur des grandes distances. Le groupe de recherche de F. Benabid a démontré à l’Université de Bath, que l’emploi d’une fibre optique BIP à cœur creux (remplie d’un gaz) permet d’accroître de plus de six ordres de grandeurs la figure de mérite des interactions laser/gaz. Cette démonstration a débouché sur plusieurs premières mondiales touchant aussi bien à l’optique quantique, la métrologie laser (ex. système fibré pour les fréquences primaires à base d’acétylène), que les lasers (ex. laser fibré à acétylène). Ces résultats sont aussi la conséquence de la versatilité des propriétés intrinsèques des milieux gazeux pour des applications diverses et variées ainsi que pour étudier les fondements de cette physique. Cependant, malgré les immenses perspectives offertes par les fibres BIP à cœur creux pour les interactions laser/gaz, le diamètre du cœur de ces fibres étant relativement large, il n’est pas possible de concentrer la lumière sur une surface suffisamment faible pour exacerber les non linéarités optiques telles que celles de type Kerr. Or, ce dernier effet est largement utilisé dans le domaine de l’optique nonlinéaire (ex: pour l’élargissement de spectre) ou quantique (ex: pour le mélange d’onde optiques).
Dans ce projet de thèse, nous proposons de lever ce verrou par l’emploi de gaz particulier qui, sous certaines conditions, peuvent présenter un indice de réfraction très supérieur à celui de l’air. Cette propriété offre la possibilité de propager par réflexion total interne la lumière dans une fibre optique qui serait composée d’un petit cœur creux rempli de ce gaz et d’une gaine microstructurée dont l’indice moyen est inférieur à celui du gaz. La réalisation de ce nouveau type de fibre optique constituerait une première mondiale, et surtout, elle permettrait d’étudier la génération d’effets non-linéaires uniquement de type Kerr, sans les effets parasites liés aux milieux solides, ce qui constituerait une nouvelle plateforme pour l’étude de nouveaux phénomènes non-linéaires et d’optique quantique.

Objectifs scientifiques de la thèse
Le travail demandé comprendra une étude bibliographique sur l’état de l’art des sources pour la cryptographie quantique, la conception et la fabrication de fibres optiques creuses adéquates, puis la caractérisation linéaire et nonlinéaire de cette fibre dont le cœur sera remplie d’un gaz. Enfin la génération de paires de photons corrélées par mélange d’ondes sera étudée.

Compétences à l’issue de la thèse
Les compétences attendues à l’issue de la thèse seront:
– connaissance forte dans le domaine de la cryptographie quantique
– Expertise concernant la conception et la fabrication de fibres optiques
– Forte expérience dans la caractérisation des procédés linéaires et nonlinéaires dans les fibres optiques
– Forte expérience dans la diffusion de la culture scientifique (communications internationales, articles, séminaires, …)
– Forte autonomie

Mots clés (séparés par des virgules)
Cryptographie quantique; fibre optique, photonique des structures à bandes interdites, interaction gaz/lumière, effet nonlinéaire.
Conditions restrictive de candidature (nationalité, âge, …) : NON

Directeur de thèse
F. Benabid
Adresse mail du directeur de thèse : f.benabid@xlim.fr
Téléphone Directeur de thèse : 0555457385

Co-directeur de thèse
F. Gérôme et G. Humbert
Adresse mail du co-directeur de thèse : gerome@xlim.fr et georges.humbert@xlim.fr
Téléphone co-Directeur de thèse : 0555457385
Cofinancement LABEX SigmaLIM demandé : NON
Thèse pour Action transverse : OUI

Action transverse concernée et justification
Nouvel axe transverse à XLIM: GPPMM

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