Quantum imaging with optical fibre structures

(English) Two-photon quantum correlations are a resource for quantum communication, sensing, and imaging. Coincidence-based quantum imaging leverages spatiotemporal quantum correlations to form images from two-photon coincidences rather than intensity alone. To be useful beyond free-space laboratory setups, such as in access-constrained, realistic settings, quantum correlations must be distributed through compact waveguides while remaining usable after propagation across many spatial modes and at practical rates. This thesis develops methods for waveguide-based quantum imaging by integrating and advancing three main technology components: engineered quantum light sources based on spontaneous parametric down-conversion (SPDC), optical waveguides (including disordered and multicore optical fibre), and detection with single-photon avalanche diode (SPAD) array cameras, through both time-tagging and rolling-delay compensation. We demonstrate and quantify transport of quantum spatiotemporal correlations, and implement quantum imaging in a waveguided geometry using optical fibre. In addition, we show real-time operation with continuous coincidence image frames. The main specific achievements are: - Foundations for correlation transport. We model the propagation of quantum correlated SPDC two-photon states in media (continuous and discrete pictures), identifying measurable signatures of correlation conservation after transport. We develop a protocol that measures the waveguide point-spread function via coincidence imaging with a time-tagging SPAD array and timestamp post-processing. Using these tools, we define metrics to certify and quantify correlation transport through waveguides, and map its dependence on waveguide parameters. - Waveguide-based transport of SPDC correlations We validate transmission of SPDC spatiotemporal correlations through a custom-fabricated transverse Anderson localization optical fibre and a commercially available multicore fibre (MCF), showing high-dimensional, mode-parallel delivery of correlations necessary for coincidence imaging protocols. We inject position anticorrelated photon pairs into the fibres, extract coincidences from SPAD array timestamps, characterize the waveguide point-spread function through the coincidence-imaging protocol and quantify preservation of correlations. - Waveguided quantum ghost imaging. Building on the established quantum correlation distribution, we implement waveguided quantum ghost imaging (QGI) through a MCF using a non-degenerate signal-idler photon pair SPDC source. The idler illuminates the sample through the waveguide and is detected with a single SPAD, while the signal, which has not interacted with the sample, is imaged with spatial resolution on a SPAD array camera. We report image quality and imaging rates, and identify limits of optical resolution. - Real-time quantum ghost imaging. We realize real-time, low-latency QGI (free-space and waveguided) by leveraging in-pixel asynchronous coincidence extraction in the SPAD array camera, eliminating external post-processing latency. Coincidence image frames are produced continuously, supporting live alignment and use. Together, these results provide methods for waveguided, mode-parallel delivery and measurement of quantum correlations using optical fibre transport and SPAD array camera coincidence imaging, and thus extend quantum imaging technology towards practical waveguided settings. This may outline routes to applications in constrained environments, low photon flux regimes, and imaging at unusual wavelengths, potentially enabling new use-cases for quantum imaging, for example in the life sciences. (Català) Les correlacions quàntiques de dos fotons són un recurs per a la comunicació, la detecció i la imatge quàntiques. La formació d’imatges quàntiques basada en coincidències utilitza correlacions espaciotemporals quàntiques per generar imatges a partir de coincidències de dos fotons, en lloc de la intensitat. Perquè aquesta tècnica sigui útil més enllà dels muntatges en espai lliure de laboratori -- com en entorns realistes i amb accés limitat -- les correlacions quàntiques han de poder distribuir-se mitjançant guies d’ona compactes, mantenint-se útils després de la propagació a través de molts modes espacials i a taxes pràctiques. Aquesta tesi desenvolupa mètodes d’imatge quàntica basada en guies d’ona integrant i desenvolupant tres components tecnològics principals: fonts de llum quàntica basades en conversió paramètrica espontània descendent (SPDC, per les seves sigles en anglès, spontaneous parametric down-conversion), guies d’ona òptiques (incloent estructures de fibres òptiques desordenades i de múltiples nuclis) i detecció amb càmeres de matriu de fotodíodes d’allau de fotó únic (SPAD, single-photon avalanche diode). Demostrem i quantifiquem el transport de correlacions quàntiques espaciotemporals i implementem imatge quàntica amb guia d’ona mitjançant fibra òptica. Mostrem la generació d’imatges per coincidència en temps real. Els principals resultats específics són: - Fonaments del transport de correlacions. Modelem la propagació d’estats de dos fotons de SPDC, correlacionats quànticament en medis continus i discrets, identificant signatures mesurables de preservació de correlacions després del transport. Desenvolupem un protocol per mesurar la funció de dispersió puntual (PSF, point-spread function) de la guia d’ona mitjançant imatge per coincidències amb una càmera SPAD amb registre temporal i processat posterior de marques de temps. Amb aquestes eines, definim mètriques per verificar i quantificar el transport de correlacions a través de guies d’ona i caracteritzar-ne la dependència dels paràmetres de la guia. - Transport de correlacions de SPDC amb guia d’ona. Validem la transmissió de correlacions espaciotemporals de SPDC a través d’una fibra òptica amb localització transversal d’Anderson fabricada a mida i d’una fibra de múltiples nuclis (MCF, multicore fibre) comercial, mostrant transport de correlacions d’alta dimensionalitat en modes paral·lels, clau per a la imatge per coincidències. - Imatge quàntica fantasma amb guia d’ona. A partir de la distribució establerta de correlacions quàntiques, implementem imatge quàntica fantasma amb guia d’ona (QGI, quantum ghost imaging) mitjançant una MCF amb una font SPDC de parells fotònics signal-idler no degenerats. L’idler il·lumina la mostra a través de la MCF i es detecta amb un únic SPAD, mentre que el signal, que no ha interaccionat amb la mostra, es registra amb resolució espacial en una càmera SPAD. Es presenten la qualitat d’imatge, les taxes d’adquisició i els límits de resolució òptica. - Imatge quàntica fantasma en temps real. Aconseguim imatge quàntica fantasma (en espai lliure i amb guia d’ona) en temps real i amb baixa latència, aprofitant l’extracció asíncrona de coincidències en píxel de la càmera SPAD, eliminant la latència de processat extern. Els fotogrames de coincidències es generen de manera contínua, cosa que permet el seu alineament i ús en directe. En conjunt, aquests resultats proporcionen mètodes per a la distribució i mesura de correlacions quàntiques en guies d’ona entre diversos modes en paral·lel mitjançant transport per fibra òptica i formació d’imatges per coincidència amb càmeres SPAD, ampliant així la tecnologia d’imatge quàntica cap a entorns pràctics amb guia d’ona. Això pot obrir vies a aplicacions en entorns limitats, amb baix flux fotònic i longituds d’ona inusuals, possibilitant nous casos d’ús per a la imatge quàntica, per exemple en ciències de la vida. (Español) Las correlaciones cuánticas de dos fotones son un recurso para comunicación, detección e imagen cuánticas. La formación de imágenes cuánticas basada en coincidencias utiliza correlaciones espaciotemporales cuánticas para generar imágenes a partir de coincidencias de dos fotones, en lugar de la intensidad. Para que esta técnica sea útil más allá de los montajes en espacio libre de laboratorio -- como en entornos realistas y con acceso limitado -- las correlaciones cuánticas deben poder distribuirse mediante guías de onda compactas, manteniéndose útiles tras la propagación a través de muchos modos espaciales y a tasas prácticas. Esta tesis desarrolla métodos de imagen cuántica basada en guías de onda integrando y desarrollando tres componentes tecnológicos principales: fuentes de luz cuántica basadas en conversión paramétrica espontánea descendente (SPDC, por sus siglas en inglés, spontaneous parametric down-conversion), guías de onda ópticas (incluyendo estructuras de fibras ópticas desordenadas y multinúcleo) y detección con cámaras de matriz de fotodiodos de avalancha de fotón único (SPAD, single-photon avalanche diode). Demostramos y cuantificamos el transporte de correlaciones cuánticas espaciotemporales e implementamos imagen cuántica con guía de onda mediante fibra óptica. Mostramos generación de imágenes por coincidencia en tiempo real. Los principales logros específicos son: - Fundamentos del transporte de correlaciones. Modelamos la propagación de estados de dos fotones de SPDC, correlacionados cuánticamente en medios continuos y discretos, identificando firmas medibles de preservación de correlaciones tras el transporte. Desarrollamos un protocolo para medir la función de dispersión puntual (PSF, point-spread function) de la guía de onda mediante imagen por coincidencias con una cámara SPAD con registro temporal y procesamiento posterior de marcas de tiempo. Con estas herramientas, definimos métricas para verificar y cuantificar el transporte de correlaciones a través de guías de onda y caracterizar su dependencia de los parámetros de la guía. - Transporte de correlaciones de SPDC con guía de onda. Validamos la transmisión de correlaciones espaciotemporales de SPDC a través de una fibra óptica con localización transversal de Anderson fabricada a medida y de una fibra multinúcleo (MCF) comercial, mostrando transporte de correlaciones de alta dimensionalidad en modos paralelos, clave para la imagen por coincidencias. - Imagen cuántica fantasma con guía de onda. A partir de la distribución establecida de correlaciones cuánticas, implementamos imagen cuántica fantasma con guía de onda (QGI, quantum ghost imaging) mediante una MCF con una fuente SPDC de pares fotónicos signal-idler no degenerados. El idler ilumina la muestra a través de la MCF y se detecta con un único SPAD, mientras que el signal, que no ha interactuado con la muestra, se registra con resolución espacial en una cámara SPAD. Se presentan calidad de imagen, tasas de adquisición y límites de resolución óptica. - Imagen cuántica fantasma en tiempo real. Logramos imagen cuántica fantasma (en espacio libre y con guía de onda) en tiempo real y con baja latencia, aprovechando la extracción asíncrona de coincidencias en píxel de la cámara SPAD, eliminando la latencia de procesado externo. Los fotogramas de coincidencias se generan de forma continua, lo que permite su alineamiento y uso en directo. En conjunto, estos resultados proporcionan métodos para la distribución y medida de correlaciones cuánticas en guías de onda entre varios modos en paralelo mediante transporte por fibra óptica y formación de imágenes por coincidencia con cámaras SPAD, extendiendo así la tecnología de imagen cuántica hacia entornos prácticos con guía de onda. Esto puede abrir vías a aplicaciones en entornos limitados, con bajo flujo fotónico y longitudes de onda inusuales, posibilitando nuevos casos de uso para la imagen cuántica, por ejemplo en ciencias de la vida.