Soutenance de thèse

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Vers une mémoire quantique pour la lumière non-classique avec des atomes froids

Directrice de thèse: Elisabeth GiacobinoCodirecteur de thèse: Julien LauratEquipe Optique QuantiqueLaboratoire Kastler-BrosselUniversité Pierre et Marie Curie, Paris

Sidney Burks13 Octobre, 2010

http://213.251.135.217/ifraf/

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Plan: Vers une mémoire quantique

1. Perspectives

2. Mémoire quantique

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Des bits classiques aux bits quantiques•L’information classique est fondée sur le bit

▫Valeurs discrètes de 1 ou 0

•Bits photoniques

•L’information quantique introduit le qubit▫Superposition d’états

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Desideratum : Stockage sans mesure, relecture à la demande i.e. un transfert cohérent et réversible entre la lumière et la matière.

Stratégie générale: Transférer la superposition quantique de la lumière à une superposition des états dans le milieu de stockage

Qubit photonique

Une mémoire quantique

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Desideratum : Stockage sans mesure, relecture à la demande i.e. un transfert cohérent et réversible entre la lumière et la matière.

Stratégie générale: Transférer la superposition quantique de la lumière à une superposition des états dans le milieu de stockage

Les états |a> et |b> sont typiquement des états fondamentaux pour éviter une décohérence rapide

Recette générale: Deux états fondamentaux connecté via un état excité par un champ de contrôle

Qubit photonique

Une mémoire quantique

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Electrodynamique quantique en cavité (couplage forte)

EIT « Dynamique »

Rephasing protocols- CRIB and AFC -

Ions de terre rare dans des solides à température cryogénique

Ato

me U

niq

ue

En

sem

ble

ato

miq

ues

: C

olle

ctiv

e E

xc.

Temps de vie long

Un revue des mémoires quantiques

expériences LKB

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Applications des mémoires quantiques

• La plupart des sources de photons sont probabilistes

• On sait créer des photons jumeaux

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• La plupart des sources de photons sont probabilistes

• On sait créer des photons jumeaux

• Mémoire chargée avec un photon

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« Photon Gun » déterministe

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Synchronisation de l’émission des photons

•Interférence de deux photons

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Synchronisation de l’émission des photons

•Interférence de deux photons

•Portes quantiques

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Réseaux quantiques•Distribution d’intrication

dans un réseau

•Propagation de l’intrication dans les systèmes quantiques complexes

•Simulation de phénomènes collectifs

H.J. Kimble, The Quantum Internet, Nature 453, 1023 (2008)

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Communications quantiques à longue distance•Etats quantiques

sont fragiles

•Impossibilité de cloner des états arbitraire

•Pas de amplification

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Communications quantiques à longue distance

100 km, fibre télécom: 99.5 % pertes

Pour 1000 km, et avec une source des qubits à 10GHz, il faudrait 300000 ans pour transmettre 1 qubit

Temps de connexion décroit exponentiellement avec la distance

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Communications quantiques à longue distance

100 km, fibre télécom: 99.5 % pertes

Pour 1000 km, et avec une source des qubits à 10GHz, il faudrait 300000 ans pour transmettre 1 qubit

Temps de connexion décroit exponentiellement avec la distance

Répéteurs quantiques

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1) Diviser en segments et générer l’intrication

. .. .. .L0 L0 L0

L

2) Connexion de l’intrication. .. .. .. . ..

Fidélité proche à 1 à longue distance, mais… temps augmente de façon exponentielle avec L

L’intrication des segments est probabiliste: chaque étape termine à un instant différent.


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1) Diviser en segments et générer l’intrication

. .. .. .L0 L0 L0

L

2) Connexion de l’intrication. .. .. .. . ..

« Scalability » : nécessite des mémoires quantiques, ce qui permet une préparation asynchrone du réseau

Fidélité proche à 1 à longue distance, mais… temps augmente de façon exponentielle avec L

L’intrication des nœuds est probabiliste: chaque étape termine à un instant différent.


Mémoires quantiques

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Comment intriquer deux mémoires?

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Intrication Probabiliste: Protocole DLCZ

Excitation collective

|e>

|s>

|g>

field 1write

L.M. Duan et al., Nature 414, 413 (2001)

• Démonstration expérimentale du premier segment de répéteur quantique en 2007

1) Création d’une excitation collective

2) Intrication des deux ensembles

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Intrication déterministe: photon unique et transparence induite électro-magnétiquement (EIT)

• Mapping d’un photon unique délocalisé

K.S. Choi et al., “Mapping photonic entanglement into and out of a quantum memory”, Nature 452, 7183 (2008)

Ecriture Stockage Relecture

Champ contrôle

Champquantique

reemission du champ quantique

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Intrication en Variables Continues

• Source déterministe de l’intrication• Utilise des porteurs avec des dégrées de

libertés continus - quadratures de la lumière

• Caractérisé par la détection homodyne

Y

X

Y

X

Y

X

Y

X

Etat cohérent Etat comprimé

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Résultats actuels par EIT en variables continues

•Retard d’un état comprimé

•Stockage d’une bande latérale unique▫Stockage sans excès de bruit▫Etat cohérent

•Stockage de vide comprimé▫−0.16 ± 0.01 dB ~4%▫−0.21 ± 0.04 dB

K. Honda et al., Phys. Rev. Lett. 100, 093601 (2008)

J. Appel et al., Phys. Rev. Lett. 100, 093602 (2008)

G. Hétet et al., Phys. Rev. A 74, 033809 (2005)E. Figueroa et al., New J. Phys. 11, 013044 (2009)

J. Cviklinski et al., Phys. Rev. Lett. 101, 133601 (2008)

LKB

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Notre système de stockage d’intrication en variables continues

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Création de deux ensembles

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A. Source▫Vide comprimé▫Caractérisation▫Interfaçage

B. Mémoire

Mémoire Quantique

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B. Mémoire

Mémoire Quantique

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Génération du vide comprimé avec un OPO

•Source de vide comprimé

•Compatible avec une mémoire quantique utilisant des atomes de Césium

•Oscillateur paramétrique optique (OPO)

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Etat cohérentVide comprimé

Utilisation de l’optique non-linéaire

Génération de seconde harmonique Conversion paramétrique

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Schéma expérimental

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Génération de Seconde Harmonique

•Cavité en anneau•Asservissement par Tilt Locking•Régulation de température

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Cavité de DoublagePuissance de la

seconde harmonique

33

Cavité de DoublagePuissance de la

seconde harmonique

330 mW de bleu

330 mW

50% efficacité de conversion

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Cavité de l’OPO

Linéaire Quadratique

Equilibre entre fort squeezing et stabilité expérimentale

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Cavité de l’OPO

•Coupleur de sortie de T = 7%•Fonctionnement en dessous du seuil•Asservissement par Pound-Drever-Hall•Faisceau d’asservissement contra-propageant

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Faisceau d’asservissement

• Photons parasites dans le vide comprimé• Diminution de la puissance de faisceau

d’asservissement• Traitement antireflet• Switch actif

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B. Mémoire

Mémoire Quantique

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40

S. Burks et al., “Squeezed light at the D2 cesium line for atomic memories”, Opt. Express 17, 3777 (2008)

Génération du vide comprimé

Fréquence d’analyse: 1MHz

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S. Burks et al., “Squeezed light at the D2 cesium line for atomic memories”, Opt. Express 17, 3777 (2008)


Fréquence d’analyse: 1MHz

- 3 dB de squeezing (50% réduction du bruit quantique)

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Génération du vide compriméComptabilité avec la mémoire?

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•Sera utilisé pour EIT en Césium

AbsorptionDispersion

Comptabilité avec la mémoire?

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•Sera utilisé pour EIT en Césium

•Fréquence fixée par la région linéaire de la dispersion

AbsorptionDispersion

500 kHz

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Compatibilité avec EIT qui est limitée en bande passante!

Squeezing à partir de 30 kHz

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Reconstruction de l’état

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Reconstruction de l’état• Des paires de photons

pour le vide comprimé

• Etat thermique mélangé avec le vide

Caractérisation complète de notre état

Fonction de Wigner pour -2 dB de squeezing

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B. Mémoire

Mémoire Quantique

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Création des impulsions

•Mode temporel adapté à la mémoire

•Conversion d’une source continue en impulsions

•Très difficile dû à la fragilité des états quantiques

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Impulsions par chopper optique

temps

Suppression du bruit acoustique

Suppression des vibrations mécaniques

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Impulsions par chopper optique

• Pertes optiques ~2%

• Impulsions de 500 ns!

Largeur 1 µs

temps

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Impulsions par AOM

• Pertes optiques faibles: ~10%• Control précis sur le timing: 25 ns

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A. Source

B.Mémoire

Mémoire Quantique

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Eléments nécessaires•Atomes

▫Nuage « gros » et dense

•EIT▫Lasers et transitions

•Annulation du champ magnétique▫Eviter la décohérence des niveaux

fondamentaux

•Timing et Synchronisation

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•Chambre

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•Chambre•MOT

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•Chambre•MOT•Lasers

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•Chambre•MOT•Lasers•Multiplexage

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•Chambre•MOT•Lasers•Multiplexage

Comment caractériser le nuage?

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Mesure de densité optique

-10 MHz

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Mesure de Densité Optique

Densité optique de 20

Efficacité de mémoire de 25%

-10 MHz

Gorshkov et al., Phys. Rev. A 76, 033805 (2007)

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fondamentaux


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Asservissement de phase optique

Battement optique

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Asservissement de phase

• Stabilité de plusieurs heures

• sub-Hz précision sur la fréquence

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fondamentaux


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Coupure du chambre magnétique

•Champ des bobines du MOT

•Champs résiduels

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Coupure du champ magnétique

•~5 ms de nuage après coupure du champ•Champs sont difficile de couper

rapidement

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Coupure du champ magnétique

•~5 ms de nuage après coupure du champ•Champs sont difficile de couper

rapidement

Constante de temps 300 µs Le nuage reste dense!

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Spectroscopie Raman

• Présence des champs parasites

• Correction au mG en 3 dimensions

Champ présent

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Spectroscopie Raman

• Correction au milliGauss en 3 dimensions

Champ présent

Temps de mémoire: 10-100 µs

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Eléments nécessaires

•Atomes▫Nuage « gros » et dense


•Annulation du champ magnétique▫Minimiser la décohérence


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Timing des faisceaux mémoire

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Timing des faisceaux mémoire •Interface Simple•Développent rapide•Extensible

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Table optique mémoire

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Conclusion

•Intrication des mémoires entre elles

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Conclusion

• Intrication des mémoires entre elles

• Génération du vide comprimé par l’OPO▫Forte squeezing: -3 dB▫Compatible avec l’EIT▫Interfacé avec la mémoire

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Conclusion

• Intrication des mémoires entre elles

• Génération du vide comprimé par l’OPO▫Forte squeezing▫Compatible avec l’EIT▫ Interfacé avec la mémoire

• Caractérisation des éléments de la mémoire

Temps de mémoire: 10-100 µs

Efficacité de mémoire de 25%


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