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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
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2
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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5
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
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ctiv
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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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Applications des mémoires quantiques
• La plupart des sources de photons sont probabilistes
• On sait créer des photons jumeaux
• Mémoire chargée avec un photon
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Applications des mémoires quantiques
« 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.
Répéteurs quantiques
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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.
Répéteurs quantiques
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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Plan: Vers une mémoire quantique
A. Source▫Vide comprimé▫Caractérisation▫Interfaçage
B. Mémoire
Mémoire Quantique
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Plan: Vers une mémoire quantique
A. Source▫Vide comprimé▫Caractérisation▫Interfaçage
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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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
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Cavité de DoublagePuissance de la
seconde harmonique
330 mW de bleu
330 mW
50% efficacité de conversion
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Schéma expérimental
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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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Plan: Vers une mémoire quantique
A. Source▫Vide comprimé▫Caractérisation▫Interfaçage
B. Mémoire
Mémoire Quantique
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39
Schéma expérimental
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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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41
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
- 3 dB de squeezing (50% réduction du bruit quantique)
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Génération du vide compriméComptabilité avec la mémoire?
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Génération du vide comprimé
•Sera utilisé pour EIT en Césium
AbsorptionDispersion
Comptabilité avec la mémoire?
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Génération du vide comprimé
•Sera utilisé pour EIT en Césium
•Fréquence fixée par la région linéaire de la dispersion
AbsorptionDispersion
500 kHz
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45
Génération du vide comprimé
Compatibilité avec EIT qui est limitée en bande passante!
Squeezing à partir de 30 kHz
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46
Reconstruction de l’état
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47
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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Plan: Vers une mémoire quantique
A. Source▫Vide comprimé▫Caractérisation▫Interfaçage
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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50
Impulsions par chopper optique
temps
Suppression du bruit acoustique
Suppression des vibrations mécaniques
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51
Impulsions par chopper optique
• Pertes optiques ~2%
• Impulsions de 500 ns!
Largeur 1 µs
temps
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52
Impulsions par AOM
• Pertes optiques faibles: ~10%• Control précis sur le timing: 25 ns
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53
Plan: Vers une mémoire quantique
A. Source
B.Mémoire
Mémoire Quantique
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Création de deux ensembles
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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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56
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57
•Chambre
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58
•Chambre•MOT
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•Chambre•MOT•Lasers
![Page 60: Soutenance de thèse](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062319/55701badd8b42aa8558b46b5/html5/thumbnails/60.jpg)
60
•Chambre•MOT•Lasers•Multiplexage
![Page 61: Soutenance de thèse](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062319/55701badd8b42aa8558b46b5/html5/thumbnails/61.jpg)
61
•Chambre•MOT•Lasers•Multiplexage
Comment caractériser le nuage?
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62
Mesure de densité optique
-10 MHz
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63
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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64
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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65
Asservissement de phase optique
Battement optique
![Page 66: Soutenance de thèse](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062319/55701badd8b42aa8558b46b5/html5/thumbnails/66.jpg)
66
![Page 67: Soutenance de thèse](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062319/55701badd8b42aa8558b46b5/html5/thumbnails/67.jpg)
67
Asservissement de phase
• Stabilité de plusieurs heures
• sub-Hz précision sur la fréquence
![Page 68: Soutenance de thèse](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062319/55701badd8b42aa8558b46b5/html5/thumbnails/68.jpg)
68
Eléments nécessaires•Atomes
▫Nuage « gros » et dense
•EIT▫Lasers et transitions
•Annulation du champ magnétique▫Eviter la décohérence des niveaux
fondamentaux
•Timing et Synchronisation
![Page 69: Soutenance de thèse](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062319/55701badd8b42aa8558b46b5/html5/thumbnails/69.jpg)
69
Coupure du chambre magnétique
•Champ des bobines du MOT
•Champs résiduels
![Page 70: Soutenance de thèse](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062319/55701badd8b42aa8558b46b5/html5/thumbnails/70.jpg)
70
Coupure du champ magnétique
•~5 ms de nuage après coupure du champ•Champs sont difficile de couper
rapidement
![Page 71: Soutenance de thèse](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062319/55701badd8b42aa8558b46b5/html5/thumbnails/71.jpg)
71
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!
![Page 72: Soutenance de thèse](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062319/55701badd8b42aa8558b46b5/html5/thumbnails/72.jpg)
72
Spectroscopie Raman
• Présence des champs parasites
• Correction au mG en 3 dimensions
Champ présent
![Page 73: Soutenance de thèse](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062319/55701badd8b42aa8558b46b5/html5/thumbnails/73.jpg)
73
Spectroscopie Raman
• Correction au milliGauss en 3 dimensions
Champ présent
Temps de mémoire: 10-100 µs
![Page 74: Soutenance de thèse](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062319/55701badd8b42aa8558b46b5/html5/thumbnails/74.jpg)
74
Eléments nécessaires
•Atomes▫Nuage « gros » et dense
•EIT▫Lasers et transitions
•Annulation du champ magnétique▫Minimiser la décohérence
•Timing et Synchronisation
![Page 75: Soutenance de thèse](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062319/55701badd8b42aa8558b46b5/html5/thumbnails/75.jpg)
75
Timing des faisceaux mémoire
![Page 76: Soutenance de thèse](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062319/55701badd8b42aa8558b46b5/html5/thumbnails/76.jpg)
76
Timing des faisceaux mémoire •Interface Simple•Développent rapide•Extensible
![Page 77: Soutenance de thèse](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062319/55701badd8b42aa8558b46b5/html5/thumbnails/77.jpg)
77
Table optique mémoire
![Page 78: Soutenance de thèse](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062319/55701badd8b42aa8558b46b5/html5/thumbnails/78.jpg)
78
Conclusion
•Intrication des mémoires entre elles
![Page 79: Soutenance de thèse](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062319/55701badd8b42aa8558b46b5/html5/thumbnails/79.jpg)
79
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
![Page 80: Soutenance de thèse](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062319/55701badd8b42aa8558b46b5/html5/thumbnails/80.jpg)
80
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%
Création de deux ensembles