La communication quantique vise la génération, la distribution et la manipulation cohérente de bits d'information quantique (qbits). Il convient notamment de construire des entités de stockage (mémoires quantiques) pouvant fonctionner aussi bien en régime d'absorption que d'émission de photons uniques. Nous présentons l'élaboration d'une mémoire quantique basée sur un nuage d'atomes froids de rubidium préparé à l'aide d'un double piège magnéto-optique. Le nuage se situe dans une chambre où le taux de collisions avec les atomes du gaz résiduel est négligeable et où les champs magnétiques résiduels sont compensés. Des séquences de refroidissement permettent d'atteindre une température de 8 μK, pour une épaisseur optique de 4,3. Cette mémoire, utilisée en mode d'émission, constitue une source de photons uniques annoncés que nous couplons actuellement à une source de paires de photons intriqués afin de réaliser une expérience de téléportation.
La communication quantique vise la génération, la distribution et la manipulation cohérente de bits d'information quantique (qbits). Il convient notamment de construire des entités de stockage (mémoires quantiques) pouvant fonctionner aussi bien en régime d'absorption que d'émission de photons uniques. Nous présentons l'élaboration d'une mémoire quantique basée sur un nuage d'atomes froids de rubidium préparé à l'aide d'un double piège magnéto-optique. Le nuage se situe dans une chambre où le taux de collisions avec les atomes du gaz résiduel est négligeable et où les champs magnétiques résiduels sont compensés. Des séquences de refroidissement permettent d'atteindre une température de 8 μK, pour une épaisseur optique de 4,3. Cette mémoire, utilisée en mode d'émission, constitue une source de photons uniques annoncés que nous couplons actuellement à une source de paires de photons intriqués afin de réaliser une expérience de téléportation.
La communication quantique vise la génération, la distribution et le stockage de qubits afin d'établir de véritables réseaux quantiques. Le stockage cohérent, efficace et réversible d'états photoniques dans des mémoires atomiques est donc nécessaire et représente actuellement un enjeu majeur de la science de l'information quantique. Ainsi, de nombreux supports de stockage, tels que les ensembles d'atomes froids ou à l'état solide, sont envisagés afin de satisfaire au mieux les propriétés attendues d'une mémoire quantique. Les travaux présentés dans ce manuscrit s'inscrivent dans ce contexte et décrivent la réalisation expérimentale d'une mémoire basée sur le protocole DLCZ dans un ensemble d'atomes froids de 87Rb. Un dispositif de double piège magnéto-optique permet de refroidir et de confiner cet ensemble au sein d'un piège dont le temps de vie est ~15 s, et de le manipuler en vue du stockage quantique. Nous disposons ainsi d'un nuage présentant une épaisseur optique à résonance de l'ordre de 5, et dont les atomes sont refroidis à une dizaine de µK. La mise en place du protocole DLCZ dans cet ensemble atomique consiste à créer des états cohérents de la matière puis à les relire, à partir de diffusions Raman qui s'accompagnent de la génération de photons uniques corrélés en impulsion. Les premiers résultats obtenus montrent des corrélations non-classiques, affichant une violation forte de l'inégalité de Cauchy-Schwarz, pour une efficacité de lecture de l'ordre de 4% et un temps de cohérence de l'état stocké de ~800 ns. Cette mémoire, utilisée comme une source de photons uniques annoncés, fait partie d'un projet pour lequel une interface basée sur de l'optique non-linéaire
En Communication Quantique, la distribution fibrée de l'information quantique entre deux sites distants passe par la construction de véritables réseaux quantiques. Dans ce contexte, le stockage cohérent, efficace et réversible d'états quantiques de la lumière dans des mémoires atomiques représente actuellement un enjeu majeur. Nous présentons l'élaboration d'une mémoire quantique dans un ensemble d'atomes froids de rubidium et nous décrivons le dispositif expérimental générant ce support de stockage. Nous montrons qu'un système de double piège magnéto-optique permet de créer un nuage d'atomes froids cohérent et dans un environnement très pur. Les atomes sont refroidis à une température T = (20±5) μK, dans un piège dont le temps de vie est ∼ 20 s. L'épaisseur optique du nuage est de 0,47 ce qui correspond à un nombre d'atomes piégés N = (1, 3 ± 0, 3) × 106 atomes et à une densité atomique n0 = (1, 8 ± 0, 2) × 109 cm−3 . Enfin, nous présentons le protocole de stockage visé afin de transférer des états quantiques photoniques sur cet ensemble d'atomes froids.
La communication quantique vise la génération, la distribution et le stockage de qubits afin d'établir de véritables réseaux quantiques. Le stockage cohérent, efficace et réversible d'états photoniques dans des mémoires atomiques est donc nécessaire et représente actuellement un enjeu majeur de la science de l'information quantique. Ainsi, de nombreux supports de stockage, tels que les ensembles d'atomes froids ou à l'état solide, sont envisagés afin de satisfaire au mieux les propriétés attendues d'une mémoire quantique. Les travaux présentés dans ce manuscrit s'inscrivent dans ce contexte et décrivent la réalisation expérimentale d'une mémoire basée sur le protocole DLCZ dans un ensemble d'atomes froids de 87Rb. Un dispositif de double piège magnéto-optique permet de refroidir et de confiner cet ensemble au sein d'un piège dont le temps de vie est ~15 s, et de le manipuler en vue du stockage quantique. Nous disposons ainsi d'un nuage présentant une épaisseur optique à résonance de l'ordre de 5, et dont les atomes sont refroidis à une dizaine de µK. La mise en place du protocole DLCZ dans cet ensemble atomique consiste à créer des états cohérents de la matière puis à les relire, à partir de diffusions Raman qui s'accompagnent de la génération de photons uniques corrélés en impulsion. Les premiers résultats obtenus montrent des corrélations non-classiques, affichant une violation forte de l'inégalité de Cauchy-Schwarz, pour une efficacité de lecture de l'ordre de 4% et un temps de cohérence de l'état stocké de ~800 ns. Cette mémoire, utilisée comme une source de photons uniques annoncés, fait partie d'un projet pour lequel une interface basée sur de l'optique non-linéaire
Afin d'implementer des protocoles de communications quantiques, comme cryptographie quantique par exemple, sur des distances superieures a la centaine de kilometres a l'aide de fibres optiques, il est necessaire de developper de nouveaux outils : les repeteurs quantiques. Le principe de fonctionnement de ceux-ci repose sur l'existence de memoires quantiques capable de stocker l'etat de la lumiere et de le reemettre a la demande. L'objectif de cette these est la realisation d'une memoire quantique dans un ensemble d'atomes froids de cesium a l'aide d'un protocole de transparence electromagnetiquement induite (EIT). La premiere etape de ce travail a ete la realisation d'un piege magneto-optique permettant de generer un nuage d'atomes froid de cesium presentant une forte epaisseur optique. La seconde a ete l'etude de la transparence du milieu. Ainsi, dans un systeme energetique en Λ, l'application d'un champ de controle sur la transition adjacente a celle du champ signal permet d'ouvrir une fenetre de transparence. Deux phenomenes peuvent expliquer cette observation : l'EIT qui correspond a des interferences destructives entre les chemins d'excitation et la separation Autler-Townes (ATS) qui implique la separation du niveau excite en deux niveaux habilles. Une etude detaille et quantitative des deux phenomenes a ete realisee. La derniere etape a ete la demonstration du stockage d'un etat coherent en regime de photons uniques avec une efficacite de 24% ainsi que les premiers resultats du stockage d'un bit d'information quantique encode dans le moment orbital angulaire de la lumiere.
Nous étudions la génération, le stockage et la manipulation d'états non classiques de la lumière et des atomes grâce à l'interaction entre un nuage d'atomes froids et de champs optiques en cavité. Après avoir généré expérimentalement des états comprimés et intriqués du champ lorsque les atomes se comportent comme un milieu Kerr, nous étudions théoriquement la possibilité de générer de tels états dans des systèmes à trois niveaux, ainsi que la réduction des fluctuations quantiques atomiques sous le bruit quantique standard. Nous présentons ensuite plusieurs schémas pour transférer et stocker les fluctuations d'états non classiques du champ au spin collectif d'un ensemble atomique afin de réaliser une mémoire quantique à atomes froids. Comme applications pour l'information quantique nous étudions l'intrication et la téléportation d'ensemble atomique, la réalisation de mémoires quantiques de longue durée de vie avec des spins nucléaires d'3He et l'intrication d'oscillateurs mécaniques.
Dans le cadre de l’étude expérimentale des états quantiques intriqués de particules uniques, il est nécessaire de développer des systèmes compacts, robustes et polyvalents. Motivés par la miniaturisation, la stabilité et la flexibilité apportées par les fibres optiques, nous présentons deux expériences où les fibres optiques servent d’interfaces pour piéger des atomes uniques et collecter les photons uniques émis. Dans un premier temps, en combinant une fibre optique monomode avec une lentille asphérique, un faisceau dipolaire permet de piéger un atome de rubidium unique par blocage collisionnel. Le refroidissement et le taux de pertes par collisions assistées par la lumière dans le piège dipolaire sont augmentés via une modulation de l’intensité du faisceau dipolaire dont l’effet sur la durée de vie de l’atome est expliqué. Une source fibrée de photons uniques à la demande est obtenue avec ce dispositif, produisant des photons dans un mode spatial et temporel à priori bien défini. Dans un second temps, nous présentons la conception d’une expérience couplant optimalement une chaîne d’atomes uniques piégés à une cavité Fabry-Pérot fibrée combinée avec une lentille à forte ouverture numérique pour imager et adresser les atomes individuellement. Un dispositif d’ablation laser de précision submicrométrique est alors construit pour réaliser et analyser in situ les formes de miroirs voulues à l’extrémité des fibres optiques. Nous présentons ensuite les cavités fibrées doublement résonantes avec une biréfringence contrôlée réalisées. Nous décrivons également le système expérimental construit pour la production rapide d’un nuage d’atomes froids et leur transport vers la cavité.