On explique dans cet article comment des cristaux faiblement dopés aux ions de terre rare peuvent être utilisés comme mémoire quantique pour la lumière. Après avoir présenté la notion d’information quantique en montrant la différence avec son analogue classique omniprésent dans nos vies, on explique pourquoi les ions de terre rare insérés dans des matrices cristallines solides peuvent être d’excellents porteurs d’information. On présente enfin un exemple récent de réalisation d’une telle mémoire optique, compatible avec le réseau actuel de télécommunication.
On explique dans cet article comment des cristaux faiblement dopés aux ions de terre rare peuvent être utilisés comme mémoire quantique pour la lumière. Après avoir présenté la notion d’information quantique en montrant la différence avec son analogue classique omniprésent dans nos vies, on explique pourquoi les ions de terre rare insérés dans des matrices cristallines solides peuvent être d’excellents porteurs d’information. On présente enfin un exemple récent de réalisation d’une telle mémoire optique, compatible avec le réseau actuel de télécommunication.
L'interaction entre lumière et matière joue souvent un rôle fondamental dans la conception et la réalisation de systèmes d'information quantique. Cet article décrit quelques principes du traitement quantique de l'information, puis les techniques optiques permettant la manipulation des états quantiques de la matière. Les matériaux présentés sont principalement des cristaux dopés par des ions de terres rares. Après une revue de leurs propriétés pertinentes, leurs applications aux mémoires et processeurs quantiques sont exposées.
Cette thèse présente des études préliminaires visant à réaliser des mémoires quantiques dans des ions de terre rare en matrice cristalline. Les mémoires quantiques sont un élément essentiel de tout processus de traitement quantique de l'information. Si les photons sont les meilleurs vecteurs pour le transport d'information, les systèmes matériels représentent les meilleurs objets quantiques pour réaliser des opérations de stockage et de traitement de l'information. Les transitions Raman sont un processus intéressant pour réaliser le couplage lumière-matière car elles sont insensibles à la décohérence par émission spontanée. Les ions de terre rare ont été choisis car ils présentent des durées de vies de cohérence relativement longues. Dans ce manuscrit, après une présentation détaillée des différents ions de terre rare et des différentes matrices cristallines, on justifie le choix de travailler sur l'ion Thulium inséré dans un cristal de YAG. On discute ensuite de la façon de créer un système à trois niveaux efficace dans ce matériau à l'aide d'un champ magnétique. On présente les résultats expérimentaux de spectroscopie de l'ion Thulium en champ magnétique qui permettent de mesurer les facteurs gyromagnétiques du Thulium. On détaille la procédure de préparation du système à trois niveaux de façon à éliminer l'effet de l'élargissement inhomogène des transitions. On décrit enfin une première opération de manipulation cohérente d'un ensemble macroscopique d'ions Thulium, en utilisant un laser ultra-stable construit au laboratoire: l'opération de transfert adiabatique de population entre deux niveaux du système, par excitation cohérente "Sécante Hyperbolique Complexe".
La maitrise de l’information représente un avantage concurrentiel de nos jours. Malgré une intensification des moyens développés pour protéger les flux de données, il n’est actuellement pas possible d’échanger à distance et de façon complètement sure, une information entre deux interlocuteurs. Néanmoins, des travaux menés par Bennett et Brassard ont montré qu’il est possible d’atteindre un niveau de sécurité maximum en utilisant un protocole quantique de transmission de l’information. Ce protocole se base sur l’utilisation de réseaux télécom utilisant des répéteurs quantiques à la place des répéteurs classiques. La voie étudiée dans cette thèse, réalisée en partie dans le cadre du projet européen QuRep, a pour but l’amélioration des connaissances sur les monocristaux dopés aux ions de terre rare qui sont des candidats de choix pour la mise au point de répéteurs quantiques. Deux grands axes ont émergés : dans un premier temps nous avons essayé de comprendre quels sont les facteurs de succès et limitatifs dans l’utilisation du cristal de Nd : YSO en tant qu’hôte pour les mémoires quantiques avec pour objectif le transfert de la cohérence électronique vers des niveaux hyperfins. Dans un second temps, nous avons étudié un cristal présentant une structure hyperfine directement accessible en optique, Er : YLF afin de vérifier sa potentielle utilisation pour les mémoires quantiques. Ces travaux ont permis, entre autre, de réaliser un transfert de cohérence d’un niveau Zeeman électronique vers un niveau hyperfin avec un temps de stockage de plus de 300 µs, ce qui permet d’envisager une mémoire quantique dans Nd : YSO permettant de réémettre un photon à la demande.
L’information quantique est un champ de recherche novateur dans lequel les proprietes des systemes quantiques sont utilisees pour manipuler l’information de maniere non classique. Les recents progres laissent entrevoir des applications tres prometteuses telles que les calculs quantiques ou encore la cryptographie quantique. Cette derniere, pour etre realisable sur de longues distances, necessite l’utilisation de memoires quantiques permettant de stocker et de restituer a la demande des photons pendant une duree, le temps de coherence, longue. Les ions de terres rares inseres dans des matrices cristallines ont des proprietes tres favorables pour de telles applications. Ce travail s'inscrit dans la recherche de nouveaux cristaux dopes par des ions de terres rares pour les memoires quantiques qui necessitent entre autres des materiaux fortement absorbants. Des monocristaux de La2(WO3)4 dopes dans un large eventail (de 0. 02 % a 3%) en praseodyme ont ete synthetises par la methode de Czochralski. D'autre part, un montage de spectroscopie optique a haute resolution et a deux couleurs a ete developpe afin de caracteriser ces cristaux par creusement de trou spectral, echo de photons et echo Raman. Les mesures ont revele son fort potentiel pour le stockage quantique de l'information. En effet, a forte concentration, ce compose presente une largeur inhomogene reduite et des temps de coherence optique ainsi qu'entre niveaux hyperfins longs. La matrice La2(WO3)4:Pr3+ permet ainsi d’obtenir une forte absorption tout en ayant un temps de stockage long.
Le traitement quantique de l’information comme moyen de surmonter les limites de l’électronique classique a connu un développement rapide dans les deux dernières décennies. Plusieurs composants pour générer, traiter et envoyer l’information quantique sont nécessaires. Dans ce contexte, les mémoires quantiques optiques apparaissent comme des composantes principales capables de communiquer l’information quantique sur de longues distances en surmontant les pertes des fibres optiques dans un schéma de répéteur quantique. Durant la dernière décennie, plusieurs protocoles de stockage pour stocker l’information quantique ont été proposés et testés. Dans cette thèse, je présente le protocole Revival of Silenced Echo (ROSE) et sa réalisation dans un cristal Er3+:Y2SiO5. Ce matériau est un bon candidat pour une mémoire quantique grâce à sa transition dans la bande C des télécommunications où les pertes dans les fibres optiques sont minimales. Dans ce travail, j’évalue les performances du ROSE avec des impulsions faibles classiques. Je mesure l’efficacité, la bande passante et le temps de stockage qui sont des figures de mérite typiques d’une mémoire quantique optique. Pour une bande passante fixe, je démontre expérimentalement une bonne efficacité. En outre, je mesure la dépendance de la bande passante du protocole. Pour cette dernière les interactions dipôle-dipôle entre les ions d’erbium apparaît comme un facteur limitant. Enfin, je réalise le protocole ROSE avec quelques photons par impulsion afin d’évaluer son potentiel comme mémoire quantique. Je démontre une bonne efficacité avec un rapport signal sur bruit modéré. Je termine ce travail par une série de mesures dans des matériaux nouveaux (co-dopé ou dopé avec de l’erbium), pour augmenter la bande-passante de traitement d’échantillons dopés Er compatible avec les longueurs d’onde des télécommunications.
Mémoire optique dans un cristal dopé erbium : efficacité, bande passante et analyse du bruit pour les applications de mémoire quantique Le traitement quantique de l’information comme moyen de surmonter les limites de l’électronique classique a connu un développement rapide dans les deux dernières décennies. Plusieurs composants pour générer, traiter et envoyer l’information quantique sont nécessaires. Dans ce contexte, les mémoires quantiques optiques apparaissent comme des composantes principales capables de communiquer l’information quantique sur de longues distances en surmontant les pertes des fibres optiques dans un schéma de répéteur quantique. Durant la dernière décennie, plusieurs protocoles de stockage pour stocker l’information quantique ont été proposés et testés. Dans cette thèse, je présente le protocole Revival of Silenced Echo (ROSE) et sa réalisation dans un cristal Er3+:Y2SiO5. Ce matériau est un bon candidat pour une mémoire quantique grâce à sa transition dans la bande C des télécommunications où les pertes dans les fibres optiques sont minimales. Dans ce travail, j’évalue les performances du ROSE avec des impulsions faibles classiques. Je mesure l’efficacité, la bande passante et le temps de stockage qui sont des figures de mérite typiques d’une mémoire quantique optique. Pour une bande passante fixe, je démontre expérimentalement une bonne efficacité. En outre, je mesure la dépendance de la bande passante du protocole. Pour cette dernière les interactions dipôle-dipôle entre les ions d’erbium apparaît comme un facteur limitant. Enfin, je réalise le protocole ROSE avec quelques photons par impulsion afin d’évaluer son potentiel comme mémoire quantique. Je démontre une bonne efficacité avec un rapport signal sur bruit modéré. Je termine ce travail par une série de mesures dans des matériaux nouveaux (co-dopé ou dopé avec de l’erbium), pour augmenter la bande-passante de traitement d’échantillons dopés Er compatible avec les longueurs d’onde des télécommunications.