Thèse Diffusion Inélastique de la Lumière par des Ensembles d'Atomes Froids H/F - 38

Établissement : Université Grenoble Alpes
École doctorale : PHYS - Physique
Laboratoire de recherche : Laboratoire de Physique et de Modélisation des Milieux Condensés
Direction de la thèse : Sergey SKIPETROV ORCID 0000000161861929
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-05-08T23:59:59

Les ensembles d'atomes froids sont des systèmes quantiques bien maîtrisés, d'une importance croissante pour diverses applications allant de la génération de lumière (lasers) à la métrologie et à l'informatique quantique [1,2]. Les expériences dans lesquelles de tels ensembles sont préparés, contrôlés et sondés par un rayonnement optique (lumière) sont aujourd'hui réalisées de manière routinière dans le monde entier [3,4]. Pourtant, la compréhension théorique de l'interaction lumière-atome dans le régime de diffusion multiple (c'est-à-dire pour des ensembles atomiques denses) reste incomplète. Alors que même la diffusion élastique (c'est-à-dire linéaire) d'un seul photon par un grand ensemble atomique continue de réserver des surprises [5], le véritable défi est posé par la diffusion inélastique collective (non linéaire) d'un grand nombre de photons - un processus dans lequel les atomes permettent aux photons d'échanger énergie et moments, conduisant à la génération de nouvelles composantes dans le spectre du rayonnement diffusé [6,7]. Une compréhension limitée de la diffusion inélastique et des phénomènes optiques non linéaires associés freine les progrès dans l'utilisation des systèmes d'atomes froids comme éléments de dispositifs optiques utiles.

L'objectif de ce projet théorique est d'étudier plusieurs phénomènes d'importance pratique pour lesquels la diffusion inélastique joue un rôle crucial :
- Laser aléatoire. La rétroaction fournie par la diffusion multiple peut conduire à une émission cohérente de lumière même en l'absence de cavité. Comme dans un laser standard avec cavité, les propriétés du rayonnement émis sont contrôlées par la non-linéarité du système, qui reste mal comprise [8].
- Instabilité optique. Un milieu non linéaire désordonné interagissant avec la lumière peut devenir dynamiquement instable et générer un signal chaotique pour une excitation stationnaire et continue [9]. L'observabilité de ce phénomène avec des atomes froids reste une question ouverte.
- Génération de lumière non classique. Les photons diffusés de manière inélastique peuvent se trouver dans des états quantiques non triviaux (comprimés, intriqués, etc.), même lorsque la lumière incidente est classique (lumière laser standard) [10]. Nous prévoyons d'étendre la théorie existante pour un atome unique au cas d'un ensemble de N > 1 atomes.
- Réseaux de neurones optiques. Les atomes peuvent jouer le rôle de noeuds d'un réseau de neurones pouvant être entraîné en ajustant les positions atomiques (et donc en modifiant le couplage interatomique). Ce sujet fait l'objet d'une étude active [11].
- Calcul par réservoir. Même sans entraînement, un système quantique non linéaire peut être utile comme partie d'un réseau de neurones plus grand [12], avec une réalisation basée sur des atomes froids proposée très récemment [13].

Le projet s'appuiera sur l'utilisation à la fois des équations optiques de Maxwell-Bloch pour les opérateurs quantiques et de l'équation maîtresse de Lindblad pour la matrice de densité, afin de décrire le système de N atomes interagissant avec la lumière. Les équations seront résolues à l'aide de codes informatiques développés par le ou la doctorant·e, ainsi que de logiciels tiers standard (QuTiP, QuantumOptics.jl, etc.).

Le ou la candidat·e retenu·e devra avoir des connaissances solides en mécanique quantique, des compétences en calcul analytique et une expérience en programmation scientifique. Des connaissances en réseaux de neurones ainsi qu'une expérience dans l'écriture de codes pour GPU seront un atout.

Les ensembles d'atomes froids sont des systèmes quantiques bien maîtrisés, d'une importance croissante pour diverses applications allant de la génération de lumière (lasers) à la métrologie et à l'informatique quantique [1,2]. Les expériences dans lesquelles de tels ensembles sont préparés, contrôlés et sondés par un rayonnement optique (lumière) sont aujourd'hui réalisées de manière routinière dans le monde entier [3,4]. Pourtant, la compréhension théorique de l'interaction lumière-atome dans le régime de diffusion multiple (c'est-à-dire pour des ensembles atomiques denses) reste incomplète. Alors que même la diffusion élastique (c'est-à-dire linéaire) d'un seul photon par un grand ensemble atomique continue de réserver des surprises [5], le véritable défi est posé par la diffusion inélastique collective (non linéaire) d'un grand nombre de photons - un processus dans lequel les atomes permettent aux photons d'échanger énergie et moments, conduisant à la génération de nouvelles composantes dans le spectre du rayonnement diffusé [6,7]. Une compréhension limitée de la diffusion inélastique et des phénomènes optiques non linéaires associés freine les progrès dans l'utilisation des systèmes d'atomes froids comme éléments de dispositifs optiques utiles.

The objectif of this theoretical project is to study several practically important phenomena in which inelastic scattering is of crucial importance:
- Random lasing. The feedback provided by multiple scattering may lead to coherent emission of light even in the absence of cavity. As in the standard laser with a cavity, properties of emitted radiation are controlled by the nonlinearity of the system, which remains poorly understood [8].
- Optical instability. A nonlinear disordered medium interacting with light may become dynamically unstable and generate chaotic signal for a stationary, continuous excitation [9]. The observability of this phenomenon with cold atoms is still an open question.
- Generation of nonclassical light. Inelastically scattered photons may be in nontrivial quantum states (squeezed, entangled, etc.) even when the incident light is classical (standard laser light) [10]. We intend to extend the existing single-atom theory to the case of an ensemble of N > 1 atoms.
- Optical neural networks. Atoms can play a role of nodes of a neural network that can be trained by adjusting atomic positions (and thus modifying interatomic coupling). This subject is under an active study [11].
- Reservoir computing. Even without training, a nonlinear quantum system can be useful as a part of a larger neural network [12], with a cold-atom realization of such systems proposed very recently [13].

Le projet s'appuiera sur l'utilisation à la fois des équations optiques de Maxwell-Bloch pour les opérateurs quantiques et de l'équation maîtresse de Lindblad pour la matrice de densité, afin de décrire le système de N atomes interagissant avec la lumière. Les équations seront résolues à l'aide de codes informatiques développés par le ou la doctorant·e, ainsi que de logiciels tiers standard (QuTiP, QuantumOptics.jl, etc.).