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1
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
2
Plan: Vers une mémoire quantique
1. Perspectives
2. Mémoire quantique
3
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
4
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
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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
15
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
17
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
18
Comment intriquer deux mémoires?
19
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
20
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
29
Schéma expérimental
30
Schéma expérimental
31
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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Schéma expérimental
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Cavité de l’OPO
Linéaire Quadratique
Equilibre entre fort squeezing et stabilité expérimentale
36
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
39
Schéma expérimental
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
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)
42
Génération du vide compriméComptabilité avec la mémoire?
43
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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Génération du vide comprimé
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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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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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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Plan: Vers une mémoire quantique
A. Source
B.Mémoire
Mémoire Quantique
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Création de deux ensembles
55
Eléments nécessaires•Atomes
▫Nuage « gros » et dense
•EIT▫Lasers et transitions
•Annulation du champ magnétique▫Eviter la décohérence des niveaux
fondamentaux
•Timing et Synchronisation
56
57
•Chambre
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•Chambre•MOT
59
•Chambre•MOT•Lasers
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•Chambre•MOT•Lasers•Multiplexage
61
•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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Eléments nécessaires•Atomes
▫Nuage « gros » et dense
•EIT▫Lasers et transitions
•Annulation du champ magnétique▫Eviter la décohérence des niveaux
fondamentaux
•Timing et Synchronisation
65
Asservissement de phase optique
Battement optique
66
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Asservissement de phase
• Stabilité de plusieurs heures
• sub-Hz précision sur la fréquence
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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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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
•EIT▫Lasers et transitions
•Annulation du champ magnétique▫Minimiser la décohérence
•Timing et Synchronisation
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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
78
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
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