Capteur quantique-radiofréquence hybridé // Enhanced Quantum-Radiofrequency Sensor

Au cours de la dernière décennie, les systèmes de capteurs utilisant des atomes de Rydberg apparaissent comme une solution révolutionnaire aux problèmes de réception des ondes électromagnétiques de radiofréquence (RF). Les caractéristiques de ce type de récepteur sont prometteuses : sensibilité extrême, bande passante très large, taille miniature indépendante de la longueur d'onde et absence de couplage avec l'environnement immédiat. Tous ces avantages vont au-delà des caractéristiques des récepteurs conventionnels à base d'antennes pour la détection des signaux RF. Dans le contexte des communications ELF à UHF, les antennes posent un certain nombre de problèmes inhérents, le premier étant leur taille, de l'ordre d'un mètre ou plus à mesure que l'on descend en fréquence, ce qui les rend encombrantes et difficiles à installer. Les techniques classiques de miniaturisation des antennes limitent considérablement leur largeur de bande et leurs caractéristiques d'efficacité, ce qui compromet les performances du système de communication. Alors que la communauté des chercheurs en antennes commence à s'intéresser à cette nouvelle approche de la détection des radiofréquences, de nouvelles approches apparaissent qui permettent de revoir certains défis bien connus, allant de la détection des ELF, à la conception d'une antenne véritablement omnidirectionnelle, en passant par la réalisation d'une métrologie THz.

L'objectif de cette thèse est d'explorer une approche polyvalente du problème de réception de type antenne avec l'intégration d'une mesure de spectroscopie atomique à base d'atomes de Rydberg, et d'utiliser simultanément la conception bien connue de récepteur à base de métal pour la mise en forme et l'amplification locale du champ, tout en exploitant les capacités de détection RF des atomes de Rydberg pour dépasser la limite de Chu-Harrington. La conception conjointe de la partie résonnante métallique et des cellules d'atomes de Rydberg sera réalisée de manière analytique et/ou par simulation. Le problème de l'adaptation d'impédance étant évité, les approches utilisant des antennes agiles miniatures seront reconsidérées. Enfin, les limitations connues seront réexaminées à la lumière de l'approche proposée. La démonstration à l'aide d'un banc optique sera effectuée en laboratoire et/ou dans un environnement anéchoïque.
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In the last decade, sensor systems using Rydberg atoms have been seen as a breakthrough solution to the problems of receiving radio frequency (RF) electromagnetic waves. The characteristics of this type of receiver are promising: extreme sensitivity, very wide bandwidth, miniature size independent of wavelength and no coupling to the immediate environment. All these advantages go beyond the characteristics of conventional antenna-based receivers for detecting RF signals. In the context of ELF to UHF communications, there are a number of inherent problems with antennas, the first of which is their size, on the order of a meter or more as we move down in frequency, making them bulky and difficult to install. Conventional techniques for miniaturizing antennas severely limit their bandwidth and efficiency characteristics, thereby compromising the performance of the communications system. As the antenna research community begins to take an interest in this novel approach to RF detection, new approaches are emerging that allow some well-known challenges to be revisited, ranging from ELF detection, to the design of a truly omnidirectional antenna, to the realization of THz metrology.

The aim of this thesis is to explore a versatile approach to the antenna-like reception problem with the integration of a Rydberg atomic optical setup, in order to simultaneously use the well-known metal-based receiver design for field shaping and amplification, while exploiting the RF detection capabilities of the Rydberg atoms to go beyond the Chu-Harrington limit. The co-design between the metallic resonant part and the Rydberg atomic setup will be done analytically and/or by full-wave simulation. As the impedance matching problem is avoided, approaches using miniature agile antenna will be reconsidered. Finally, known limitations will be re-examined in the light of the proposed approach. Demonstration using an optical bench will be carried out in a laboratory and/or in an anechoic environment.

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Pôle fr : Direction de la Recherche Technologique
Pôle en : Technological Research
Département : Département Systèmes (LETI)
Service : Service Technologies Sans Fils
Laboratoire : Laboratoire Antennes, Propagation, Couplage Inductif
Date de début souhaitée : 01-09-2025
Ecole doctorale : Electronique, Electrotechnique, Automatique, Traitement du Signal (EEATS)
Directeur de thèse : BORIES Serge
Organisme : CEA
Laboratoire : DRT/DSYS/STSF/LAPCI
URL : https://www.leti-cea.fr/cea-tech/leti/Pages/recherche-appliquee/plateformes/plateforme-telecommunications.aspx

Public/private mixed funding

Pôle fr : Direction de la Recherche Technologique
Pôle en : Technological Research
Département : Département Systèmes (LETI)
Service : Service Technologies Sans Fils

Ingénieur / Master 2