presentation de soutenance de these

1. Vers une mémoire quantique pour la lumière non-classique avec des atomes froids Sidney Burks 13 Octobre, 2010 Directrice de thèse: Elisabeth Giacobino Codirecteur de thèse: Julien Laurat Equipe Optique Quantique Laboratoire Kastler-Brossel Université Pierre et Marie Curie, Paris 1

2. Plan: Vers une mémoire quantique Perspectives Mémoire quantique 2

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 3

4. Une mémoire quantique 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 4

5. Une mémoire quantique 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 5

6. Un revue des mémoires quantiques Atome Unique Electrodynamique quantique en cavité (couplage forte) EIT « Dynamique » expériences LKB Ensemble atomiques : Collective Exc. Rephasingprotocols - CRIB and AFC - Ions de terre rare dans des solides à température cryogénique Temps de vie long 6

8. On sait créer des photons jumeaux7

10. On sait créer des photons jumeaux

11. Mémoire chargée avec un photon8

12. Applications des mémoires quantiques « Photon Gun » déterministe 9

13. Synchronisation de l’émission des photons Interférence de deux photons 10

14. Synchronisation de l’émission des photons Interférence de deux photons Portes quantiques 11

15. 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) 12

16. 13 Communications quantiques à longue distance Etats quantiques sont fragiles Impossibilité de cloner des états arbitraire Pas de amplification

17. 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 14

18. 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 15

19. Diviser en segments et générer l’intrication . . . . . . L0 L0 L0 L . . . . . . 2) Connexion de l’intrication . . . . Répéteurs quantiques 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. 16

20. Diviser en segments et générer l’intrication . . . . . . L0 L0 L0 L . . . . . . 2) Connexion de l’intrication . . . . Répéteurs quantiques 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. « Scalability » : nécessite des mémoires quantiques, ce qui permet une préparation asynchrone du réseau Mémoires quantiques 17

21. Comment intriquer deux mémoires? 18

22. Intrication Probabiliste: Protocole DLCZ 19 Création d’une excitation collective Intrication des deux ensembles Excitation collective L.M. Duan et al., Nature 414, 413 (2001) |e> field 1 write |s> |g> Démonstration expérimentale du premier segment de répéteur quantique en 2007

23. 20 Relecture Stockage Ecriture reemission du champ quantique Champ quantique Champ contrôle 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)

24. 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 21 Etat cohérent Etat comprimé

25. 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 G. Hétet et al., Phys. Rev. A 74, 033809 (2005) E. Figueroa et al., New J. Phys. 11, 013044 (2009) LKB J. Cviklinski et al., Phys. Rev. Lett. 101, 133601 (2008) K. Honda et al., Phys. Rev. Lett. 100, 093601 (2008) J. Appel et al., Phys. Rev. Lett. 100, 093602 (2008) 22

26. Notre système de stockage d’intrication en variables continues 23

27. Création de deux ensembles 24

28. Plan: Vers une mémoire quantique Mémoire Quantique Source Vide comprimé Caractérisation Interfaçage Mémoire 25

29. Plan: Vers une mémoire quantique Mémoire Quantique Source Vide comprimé Caractérisation Interfaçage Mémoire 26

30. 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) 27

31. Utilisation de l’optique non-linéaire Génération de seconde harmonique Conversion paramétrique Etat cohérent Vide comprimé 28

32. Schéma expérimental 29

33. Schéma expérimental 30

34. Génération de Seconde Harmonique Cavité en anneau Asservissement par Tilt Locking Régulation de température 31

35. Cavité de Doublage Puissance de la seconde harmonique 32

36. Cavité de Doublage Puissance de la seconde harmonique 330 mW 330 mW de bleu 50% efficacité de conversion 33

37. Schéma expérimental 34

38. Cavité de l’OPO Linéaire Quadratique 35 Equilibre entre fort squeezing et stabilité expérimentale

39. 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 36

40. Faisceau d’asservissement Photons parasites dans le vide comprimé Diminution de la puissance de faisceau d’asservissement Traitement antireflet Switch actif 37

41. Plan: Vers une mémoire quantique Mémoire Quantique Source Vide comprimé Caractérisation Interfaçage Mémoire 38

42. Schéma expérimental 39

43. Génération du vide comprimé S. Burks et al., “Squeezed light at the D2 cesium line for atomic memories”, Opt. Express 17, 3777 (2008) 40 Fréquence d’analyse: 1MHz

45. Génération du vide comprimé 42 Comptabilité avec la mémoire?

46. Génération du vide comprimé Sera utilisé pour EIT en Césium 43 Comptabilité avec la mémoire? Absorption Dispersion

47. Génération du vide comprimé Sera utilisé pour EIT en Césium Fréquence fixée par la région linéaire de la dispersion 44 Absorption Dispersion 500 kHz

48. Génération du vide comprimé Squeezing à partir de 30 kHz Compatibilité avec EIT qui est limitée en bande passante! 45

49. Reconstruction de l’état 46

50. Reconstruction de l’état Des paires de photons pour le vide comprimé Etat thermique mélangé avec le vide Caractérisation complète de notre état 47 Fonction de Wigner pour -2 dB de squeezing

51. Plan: Vers une mémoire quantique Mémoire Quantique Source Vide comprimé Caractérisation Interfaçage Mémoire 48

52. 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 49

53. Impulsions par chopper optique 50 Suppression du bruit acoustique Suppression des vibrations mécaniques temps

54. Impulsions par chopper optique Largeur 1 µs temps Pertes optiques ~2% Impulsions de 500 ns! 51

56. Control précis sur le timing: 25 ns52

57. Plan: Vers une mémoire quantique Mémoire Quantique Source Mémoire 53

58. Création de deux ensembles 54

59. Eléments nécessaires Atomes Nuage « gros » et dense EIT Lasers et transitions Annulation du champ magnétique Eviter la décohérence des niveaux fondamentaux Timing et Synchronisation 55

60. 56

61. Chambre 57

62. Chambre MOT 58

63. Chambre MOT Lasers 59

64. Chambre MOT Lasers Multiplexage 60

65. Chambre MOT Lasers Multiplexage 61 Comment caractériser le nuage?

66. Mesure de densité optique 62 -10 MHz

67. Mesure de Densité Optique -10 MHz Densité optique de 20 Efficacité de mémoire de 25% 63 Gorshkovet al., Phys. Rev. A 76, 033805 (2007)

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 64

69. Asservissement de phase optique Battement optique 65

70. 66

73. Coupure du chambre magnétique Champ des bobines du MOT Champs résiduels 69

74. Coupure du champ magnétique ~5 ms de nuage après coupure du champ Champs sont difficile de couper rapidement 70

75. Coupure du champ magnétique ~5 ms de nuage après coupure du champ Champs sont difficile de couper rapidement 71 Constante de temps 300 µs Le nuage reste dense!

76. Spectroscopie Raman Champ présent Présence des champs parasites Correction au mG en 3 dimensions 72

77. Spectroscopie Raman Champ présent Correction au milliGauss en 3 dimensions 73 Temps de mémoire: 10-100 µs

78. Eléments nécessaires Atomes Nuage « gros » et dense EIT Lasers et transitions Annulation du champ magnétique Minimiser la décohérence Timing et Synchronisation 74

79. Timing des faisceaux mémoire 75

80. Timing des faisceaux mémoire Interface Simple Développent rapide Extensible 76

81. Table optique mémoire 77

82. Conclusion Intrication des mémoires entre elles 78

83. 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 79

84. 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 80 Création de deux ensembles Temps de mémoire: 10-100 µs Efficacité de mémoire de 25%