Métasurfaces pour la génération contrôlée d'états quantiques de paires de photons – MEGAPHONE

Les métasurfaces composées de nanorésonateurs diélectriques d’épaisseurs inférieures à la longueur d’onde permettent un fort contrôle des propriétés de la lumière en transmission et en réflexion. Au cours des dernières années, ce contrôle a été étendu aux processus paramétriques classiques tels que la génération par somme de fréquence, avec l’ingénierie de la polarisation et de la directionnalité de la lumière générée et l’amélioration de l’efficacité de conversion non linéaire. Ces propriétés rendent les métasurfaces non linéaires prometteuses également pour les technologies quantiques, en particulier pour créer des sources de paires de photons très minces, mais efficaces et hautement adaptables. Cette perspective est encouragée par les observation récente de génération de paires de photons par fluorescence paramétrique dans des métasurfaces non linéaires. Cependant, le véritable atout des métasurfaces, qui découle de leur nature de système ouvert avec un accès à un grand nombre de degrés de liberté photoniques, rend la modélisation associée d’un processus quantique non linéaire très difficile. Pourtant, une telle description est nécessaire pour contrôler cette génération multimodale et ainsi concevoir les propriétés des paires de photons vers des états quantiques spécifiques. A ce jour, cette absence de modèle a entravé à la fois une compréhension fondamentale du fonctionnement des métasurfaces comme sources de paires de photons et leur développement pour les technologies quantiques. L’objectif de MEGAPHONE est donc d’établir une méthodologie pour une description précise, qui soit aussi numériquement efficace et physiquement instructive, de la génération de paires de photons dans les métasurfaces diélectriques, et d’utiliser cette méthodologie pour créer des métasurfaces permettant une génération d’états quantiques à deux photons sur mesure, et avec des efficacités de génération hautement améliorées par rapport à l’état de l’art. A cette fin, nous recourrons aux modes quasi-normaux, qui sont une classe d’expansion modale adaptée pour décrire les systèmes électromagnétiques avec une grande quantité de rayonnement vers l’extérieur ou de pertes internes. MEGAPHONE étudiera la génération de paires à partir de métasurfaces non linéaires dans différents régimes de fonctionnement, avec des arrangements périodiques et non périodiques de nanorésonateurs diélectriques en interaction ou non. Grâce à une combinaison d’approches analytiques et numériques, MEGAPHONE étudiera à la fois les effets de système ouvert qui peuvent potentiellement diminuer la fidélité de l’état généré par rapport à l’état quantique ciblé idéal, et sélectionnera les possibles approches pour l’augmenter. En s’appuyant sur ces bases théoriques, les partenaires de MEGAPHONE fabriqueront et démontreront expérimentalement des exemples concrets de sources de paires de photons conçues pour générer des états intriqués en polarisation avec la plateforme technologique AlGaAs bien établie du partenaire français, et des états corrélés spatialement sur la plateforme technologique LN bien établie du partenaire allemand.Les résultats de ce projet vont ouvrir la voie au vaste développement des métasurfaces comme sources de paires de photons dans différents domaines des technologies quantiques photoniques, allant de la communication quantique en espace libre à l’imagerie et aux capteurs quantiques.