Phase-based photonic signal processing for quantum state manipulation and analysis.

Crockett, Benjamin (2025). Phase-based photonic signal processing for quantum state manipulation and analysis. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en Sciences de l’énergie et des matériaux, 228 p.

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Résumé

L’optique quantique explore la génération, la manipulation et la détection de la lumière au niveau du photon unique afin d’exploiter des effets non classiques tels que l’effondrement de la fonction d’onde, la superposition et l’intrication. La compréhension de ces phénomènes quantiques exotiques a permis d’obtenir une description plus complète de la nature et d’innover de nouvelles technologies, avec des avancées concrètes dans les communications sécurisées, l’informatique, le développement de nouveaux médicaments et matériaux, ainsi que dans les technologies de détection et de positionnement. En particulier, l’exploitation des degrés de liberté temporels et spectraux des photons offre une polyvalence exceptionnelle, une grande robustesse et des capacités d’information de hautes dimensions, ouvrant la voie à des percées aussi bien fondamentales que technologiques.

Cependant, les pertes et le bruit restent des obstacles majeurs à la mise en oeuvre de technologies quantiques pratiques. Comme les états quantiques ne peuvent pas être amplifiés à la manière de signaux classiques, ils sont extrêmement sensibles à toute atténuation et perturbation. Qu’il s’agisse des photons parasites provenant de transmissions classiques qui copropagent dans les fibres optiques ou de la lumière solaire dans les communications quantiques par satellite, chaque expérience portant sur l’optique quantique demande qu’une attention toute particulière soit portée à gérer les sources de bruits optiques. Cette vulnérabilité impose l’utilisation de schémas de traitement à haute efficacité énergétique et rend la caractérisation des états intriqués de haute dimension, dont les spectres larges présentent des structures fines et complexes, particulièrement ardue.

Dans cette thèse, je développe un cadre complet de manipulation de photons intriqués reposant sur des techniques de traitement purement à base de phase, représentant une étape importante vers des architectures de traitement d’états quantiques à haute efficacité énergétique. En premier lieu, je propose une description détaillée de l’évolution des corrélations temporelles de photons intriqués énergie-temps se propageant dans des milieux dispersifs, menant à une approche d’interférométrie quantique résiliente à la dispersion.

Sur cette base, j’étends le concept classique de dualité espace-temps, initialement formulé pour des signaux classiques unidimensionnels, au profil conjoint bidimensionnel de photons intriqués en implémentant un système d’imagerie temporelle adapté aux paires de photons. En tirant parti de ces principes, je démontre des méthodes de redistribution cohérente de l’énergie capables d’atténuer le bruit dans les systèmes quantiques et de récupérer des états obscurcis par le bruit, comme le confirment des mesures d’inégalités de Bell et de tomographie d’état quantique.

Enfin, j’introduis le spectrogramme quantique, une représentation inédite retraçant l’évolution des corrélations spectrales quantiques au cours du temps. Basée sur le spectrogramme à lentille temporelle, cette technique résout temporellement l’intensité spectrale conjointe de photons intriqués, permettant des mesures à haute résolution des corrélations spectrales et des phases corrélées, et facilitant ainsi la caractérisation d’états quantiques de hautes dimensions. Ensemble, ces travaux présentent un cadre robuste pour la manipulation d’états quantiques par manipulations de phases et contribuent au progrès des méthodes de caractérisation indispensables au déploiement de technologies quantiques pratiques.


Quantum optics explores the generation, manipulation, and detection of light at the single-photon level to exploit nonclassical effects such as wave collapsing, superposition, and entanglement. Understanding exotic quantum effects has allowed to gain a more complete description of nature and develop new technologies with tangible advancements in secure communications, drug and material development, and improved sensing and positioning technologies. Specifically, exploiting the time and frequency degrees of freedom of photons offers exceptional versatility, robustness, and high-dimensional information capacities that has enabled fundamental and technological breakthroughs. Nevertheless, loss and noise remain a significant challenge for the development of practical quantum technologies. Since quantum states fundamentally cannot be amplified as classical signals can, they are extremely sensitive to being lost in noise, such as parasitic photons generated by co-propagating classical signals in optical fibers or stray light from the sun in quantum satellite communications. This also makes them require highly energy-efficient processing schemes, thereby limiting our ability to characterize them. This is most difficult for high-dimensional entangled quantum states, especially if they simultaneously exhibit broad spectral profiles with intricate fine-scale features.

In this thesis, I develop a comprehensive framework for manipulating entangled photons using phase-only processing techniques representing an important building block towards energyefficient quantum state manipulation architectures. As a first contribution in this direction, I provide a detailed description of the evolution of temporal correlations in time-energy entangled photons travelling in dispersive media, leading to a dispersion-resilient approach for quantum interferometry. Building upon this, I extend the classical concept of space-time duality, initially described for onedimensional classical signals, to the two-dimensional joint profile of entangled photons by implementing a temporal imaging system for entangled photons. Leveraging these principles, I demonstrate coherent energy redistribution methods capable of mitigating noise in quantum systems, enabling the recovery of quantum states obscured by noise, as demonstrated namely through Bell inequality and quantum state tomography measurements. Finally, I introduce the quantum spectrogram, a novel representation capturing the evolution of quantum spectral correlations over time. Based on the time-lens spectrogram, this technique temporally resolves the joint spectral intensity of entangled photons, allowing for high-resolution measurements of both spectral correlations and correlated phases. Consequently, this facilitates characterization of high-dimensional quantum states. Together, this thesis presents a robust framework for phase-only quantum state manipulation, advancing state characterization methods essential for practical quantum technologies.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Azaña, José
Mots-clés libres:	Intrication temps-fréquence ; Manipulation de phase ; Atténuation du bruit ; Spectrogramme ; Caractérisation d’états quantiques ; Intrication temps-fréquence ; Manipulation de phase ; Atténuation du bruit ; Spectrogramme ; Caractérisation d’états quantiques ; Time-frequency entanglement ; Phase manipulation ; Noise mitigation ; Spectrogram ; Quantum state characterization
Centre:	Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt:	26 janv. 2026 16:35
Dernière modification:	26 janv. 2026 16:40
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/16847

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