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Optique quantique dans les oscillateurs paramétriques optiques : du monomode au multimode

Agnès Maître

Published Dec 18, 2002• 0 citations
OpenAlex

Abstract

Une source de lumière comporte des bruits d'origine classique (dus aux vibrations mécaniques, aux fluctuations thermiques...) qu'il est en principe toujours possible d'éliminer et un bruit d'origine spécifiquement quantique lié à la nature corpusculaire de la lumière. Ce bruit de photon appelé aussi bruit quantique standard ou bruit de grenaille a longtemps été considéré comme une limite infranchissable pour la sensibilité des mesures optiques. On sait maintenant qu'il existe des états du champ électromagnétique qui permettent de dépasser cette 'limite quantique standard'. Ces états comprimés du champ sont dans la plupart des cas créés par des effets d'optique non linéaire. En particulier, ils peuvent être produits par un Oscillateur Paramétrique Optique (OPO). Un OPO constitué par un cristal non-linéaire inséré dans une cavité optique, et excité par une onde pompe intense, génère par effet paramétrique deux nouvelles ondes dites signal et complémentaire. Il est possible de réduire sous le bruit quantique standard les fluctuations associées à ces trois ondes. En particulier, par interaction paramétrique, un photon de pompe est converti simultanément en un photon du signal et un photon du complémentaire. Un OPO génère ainsi des faisceaux corrélés temporellement au niveau quantique et appelés faisceaux jumeaux. De plus, lorsque la pompe est une onde plane, et que les fréquences du signal et complémentaire sont voisines, par l'interaction paramétrique signal et complémentaires sont émis symétriquement par rapport à la direction de propagation de la pompe et sont donc aussi corrélés spatialement au niveau quantique. La réduction sous la limite quantique standard du bruit de l'onde pompe réfléchie par la cavité est une illustration des potentialités de compression de l'OPO. Celle-ci a été mise en évidence dans un OPO fonctionnant avec un cristal à quasi accord de phase et émettant des faisceaux à une longueur d'onde voisine de 2Μm. Les faisceaux jumeaux constituent un autre exemple de faisceaux non-classiques émis par l'OPO. Ils peuvent être utilisés pour améliorer la sensibilité ultime de certaines mesures. En particulier, la corrélation de faisceaux jumeaux a été exploitée pour réaliser une mesure d'absorption dans le rubidium avec une sensibilité non limitée par le bruit quantique standard. Dans un OPO dégénéré en modes transverses, pour lequel l'émission est multimode, la compression des fluctuations peut s'observer en théorie à l'échelle locale en ne mesurant le bruit que sur une partie du faisceau. De plus un tel OPO doit permettre d'observer des corrélations quantiques spatiales entre différentes parties des faisceaux. Expérimentalement, il a été montré que dans un OPO confocal, l'émission, multimode, possède des corrélations locales. Des faisceaux possédant une corrélation quantique spatiale ont permis de mesurer le petit déplacement d'un faisceau avec une sensibilité supérieure à la limite quantique standard.

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•Jul 1, 1997•0 citations

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•Nov 2, 2009•1 citation

Limites quantiques de résolution et structures transverses classiques dans un oscillateur paramétrique optique

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Le bruit de grenaille est considere comme une limite fondamentale a la resolution des images optiques classiques. En fait, il est possible de passer au dela de cette limite en utilisant des etats multimodes non classiques de la lumiere. Un Oscillateur Parametrique Optique (OPO) degenere en modes transverses peut permettre de generer de tels etats. En particulier, dans des mesures de petits deplacements de faisceaux, un OPO concentrique peut permettre d'obtenir une resolution superieure a la limite quantique standard. Un oscillateur parametrique confocal degenere en frequence permet d'emettre des faisceaux multimodes dont le bruit local est inferieur au bruit de grenaille. L'experience presentee ici cherche a mettre en evidence de tels etats. Les faisceaux classiques emis resultent de l'interaction non-lineaire d'un grand nombre de modes transverses, condition necessaire pour observer les etats multimodes non-classiques.

Journal de Physique IV (Proceedings)•May 1, 2000•0 citations

EFFETS QUANTIQUES DANS LES IMAGES OPTIQUES

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Nous étudions les propriétés quantiques des images optiques. Sur le plan théorique, nous nous plaçons dans le plan transverse du champ électromagnétique pour définir des observables les plus proches possibles de ce que mesurent les détecteurs en optique. Nous montrons alors la nécessité d'une approche multimode transverse pour la description des images. Nous élaborons une méthode de calcul des fluctuations en tout point du plan transverse d'un nombre quelconque de champs après leur interaction avec un cristal non linéaire. Nous appliquons ces principes pour définir les limites de résolution dans les images optiques imposées par la mécanique quantique. Nous appliquons le cas particulier du champ bimode aux mesures de positions d'un faisceau effectuées par un détecteur à deux zones. Nous montrons alors, à la fois théoriquement et expérimentalement, que le choix adéquat de deux modes non classiques permet de faire des mesures de déplacement en dessous de la limite quantique standard. D'un autre côté, nous appliquons la méthode de calcul des fluctuations au cas particulier du soliton spatial, système permettant de s'affranchir de la diffraction. On montre que, même si elle ne modifie pas le champ moyen, la diffraction est responsable de la diffusion des propriétés quantiques, qui se retrouvent alors dans les fonctions de corrélations entre deux points transverses. Finalement, nous décrivons une expérience réalisée avec un oscillateur paramétrique optique dégénéré transversalement, qui permet de faire osciller pour une même longueur de cavité un grand nombre de modes transverses. La présence d'un cristal non linéaire d'ordre deux permet de coupler les modes et d'obtenir des effets quantiques non monomodes transverses.

•Jul 11, 2000•1 citation

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La portée des communications quantiques est limitée à quelques dizaines de km en raison de l’atténuation dans les fibres. Les répéteurs quantiques (relais quantiques synchronisés par des mémoires quantiques photoniques) furent introduits afin d’accroître ces distances. Or, pour le moment, les mémoires les plus performantes fonctionnent à des longueurs d’onde n’appartenant pas à la bande C télécom. Afin de profiter de ces mémoires, l’utilisation d’interfaces quantiques (milieu non linéaire quadratique) fut proposée comme alternative. En ajoutant ainsi par somme de fréquences un photon de pompe de longueur d’onde appropriée au photon télécom portant l’information, on transfère l’information à une longueur d’onde compatible avec les mémoires, et ceci sans dégradation de l’information portée initialement par le photon télécom. Notre but est ainsi de construire un oscillateur paramétrique optique continu simplement résonant (SRO) qui fournira un faisceau à 1648 nm qui sera sommé en fréquence aux photons télécom à 1536 nm pour transférer l’information vers un photon stockable dans une mémoire à base d’atomes alcalins. Pour transférer efficacement l’information, le SRO doit satisfaire quelques critères : une haute finesse spectrale (largeur de raie ~kHz), une forte puissance (~1W) et une longueur d’onde plus grande que celle du photon télécom à convertir. Pour ce faire, nous utilisons le faisceau non-résonant d’un SRO continu. Le premier travail réalisé dans cette thèse a été de faire la démonstration de la possibilité d’avoir un faisceau à la fois intense et pur spectralement en sortie d’un SRO continu. En réutilisant un SRO déjà développé durant nos travaux antérieurs, nous avons pu stabiliser au niveau du kHz la fréquence du faisceau non résonant à 947 nm (onde signal) de ce SRO, tout en émettant une puissance de plus d’un watt. Ensuite, nous avons conçu le SRO dont le faisceau non résonant à 1648 nm (onde complémentaire) a été stabilisé à court terme en-dessous du kHz avec une puissance de l’ordre du watt. Nous avons ensuite étudié la stabilité à long terme de la longueur d’onde du complémentaire à 1648 nm. Nous avons mesuré des dérives de fréquences de l’ordre de 10 MHz/mn. Ces dérives, venant essentiellement de la cavité de référence sur laquelle le SRO est asservi, peuvent être réduites en contrôlant activement la cavité d’une part, et en utilisant des techniques de stabilisation en fréquence robustes, d’autre part.

•Dec 8, 2017•0 citations

Optique quantique multimode pour le traitement de l'information quantique

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Cette thèse étudie l’optique quantique multimode, aussi bien du point de vue de la génération que celui de la détection. Elle s’articule autour de trois volets. Nous étudions la génération de lumière comprimée multimode dans une cavité. Pour cela nous considérons la forme la plus générale de hamiltonien quadratique, permettant entre autres de décrire l’utilisation de plusieurs pompes dans un matériau effectuant du mélange à quatre ondes. Une approche combinant fonctions de Green et décompositions de matrices symplectiques est décrite. Cette théorie générique est appliquée à des cas particuliers. Dans un premier temps, des exemples en basse dimension sont donnés. Ensuite, une configuration d’oscillateur paramétrique optique pompé de manière synchrone (SPOPO) est décrite et étudiée ; les résultats obtenus montrent que ce système a un comportement très différent de celui du SPOPO utilisant une non-linéarité d’ordre 2. Ces travaux ouvrent la voie à la réalisation de peignes de fréquences quantiques avec des micro-résonateurs en anneau gravés sur silicium. Un autre problème examiné est celui de prendre en compte l’information temporelle obtenue lors du clic d’un détecteur de photon unique. Pour cela nous utilisons un formalisme multimodal temporel afin d’expliciter les opérateurs décrivant la mesure. Les principaux défauts des détecteurs réels, dont la gigue temporelle, l’efficacité finie et les coups d’obscurité sont pris en compte. L’utilisation des opérateurs est illustrée par la description d’expériences usuelles de l’optique quantique. Enfin, on montre que la lecture du temps de clic du détecteur permet d’améliorer la qualité de l’état généré par une source de photons annoncés. En troisième partie nous présentons un schéma de génération d’intrication hybride entre variables continues et discrètes, pour laquelle la partie discrète est encodée temporellement. Ce schéma est analysé en détail vis-à-vis de sa résistance aux imperfections expérimentales.

•Dec 17, 2019•0 citations
Une source de lumière comporte des bruits d'origine classique (dus aux vibrations mécaniques, aux fluctuations thermiques...) qu'il est en principe toujours possible d'éliminer et un bruit d'origine spécifiquement quantique lié à la nature corpusculaire de la lumière. Ce bruit de photon appelé aussi bruit quantique standard ou bruit de grenaille a longtemps été considéré comme une limite infranchissable pour la sensibilité des mesures optiques. On sait maintenant qu'il existe des états du champ électromagnétique qui permettent de dépasser cette 'limite quantique standard'. Ces états comprimés du champ sont dans la plupart des cas créés par des effets d'optique non linéaire. En particulier, ils peuvent être produits par un Oscillateur Paramétrique Optique (OPO). Un OPO constitué par un cristal non-linéaire inséré dans une cavité optique, et excité par une onde pompe intense, génère par effet paramétrique deux nouvelles ondes dites signal et complémentaire. Il est possible de réduire sous le bruit quantique standard les fluctuations associées à ces trois ondes. En particulier, par interaction paramétrique, un photon de pompe est converti simultanément en un photon du signal et un photon du complémentaire. Un OPO génère ainsi des faisceaux corrélés temporellement au niveau quantique et appelés faisceaux jumeaux. De plus, lorsque la pompe est une onde plane, et que les fréquences du signal et complémentaire sont voisines, par l'interaction paramétrique signal et complémentaires sont émis symétriquement par rapport à la direction de propagation de la pompe et sont donc aussi corrélés spatialement au niveau quantique. La réduction sous la limite quantique standard du bruit de l'onde pompe réfléchie par la cavité est une illustration des potentialités de compression de l'OPO. Celle-ci a été mise en évidence dans un OPO fonctionnant avec un cristal à quasi accord de phase et émettant des faisceaux à une longueur d'onde voisine de 2Μm. Les faisceaux jumeaux constituent un autre exemple de faisceaux non-classiques émis par l'OPO. Ils peuvent être utilisés pour améliorer la sensibilité ultime de certaines mesures. En particulier, la corrélation de faisceaux jumeaux a été exploitée pour réaliser une mesure d'absorption dans le rubidium avec une sensibilité non limitée par le bruit quantique standard. Dans un OPO dégénéré en modes transverses, pour lequel l'émission est multimode, la compression des fluctuations peut s'observer en théorie à l'échelle locale en ne mesurant le bruit que sur une partie du faisceau. De plus un tel OPO doit permettre d'observer des corrélations quantiques spatiales entre différentes parties des faisceaux. Expérimentalement, il a été montré que dans un OPO confocal, l'émission, multimode, possède des corrélations locales. Des faisceaux possédant une corrélation quantique spatiale ont permis de mesurer le petit déplacement d'un faisceau avec une sensibilité supérieure à la limite quantique standard.
La sensibilité des expériences de spectroscopie avec des sources de lumière classiques est limitée, au mieux, par le bruit de photons des faisceaux. L'Oscillateur Paramétrique Optique (OPO) produit des faisceaux dont les fluctuations sont corrélées au niveau quantique. Leur utilisation en spectroscopie peut donc permettre de réduire le bruit de fond de la mesure en dessous de la limite quantique standard. La partie expérimentale de cette thèse consiste à observer le signal d'absorption de la transition 4S-5S du Potassium sur l'un des faisceaux jumeaux. La mesure est effectuée sur la différence entre l'intensité du faisceau signal et celle du faisceau complémentaire en balayant la fréquence du laser à semi-conducteur qui fournit le second photon de la transition. Pour un faisceau signal de 6 mW produit par un OPO continu et un faisceau du laser à semi conducteur de 20 mW, nous avons observé une absorption relative de 2.5x10^-7 sur une bande passante de 3 Hz. Ce très faible signal a été détecté avec un bruit de fond réduit de 35% par rapport à la limite quantique standard. Sur le plan théorique, nous avons approfondi le modèle décrivant les champs produits par génération paramétrique. Jusqu'à présent, les théories sur le fonctionnement de ces sources de lumière non classique étaient basées sur un modèle en onde plane. Nous avons affiné ce modèle en prenant en compte la structure gaussienne de la lumière. Dans un premier temps, nous avons analysé le fonctionnement multimode transverse de l'OPO. Puis, du point de vue de la réduction des fluctuations quantiques des champs, nous avons étudié les modifications des prédictions du modèle en onde plane, dues aux effets transverses.
Ce mémoire de thèse est consacré à l'étude théorique et expérimentale d'oscillateurs paramétriques optiques (OPO) multimodes dans deux régimes: l'optique des images et l'optique des impulsions. On rappelle les outils utilisés habituellement pour décrire et manipuler les états non-classiques de la lumière, en insistant sur l'importance du concept de mode du champ dans sa description quantique, qu'il soit transverse ou longitudinal. On rappelle ensuite les techniques de manipulation des modes transverse (images) et des modes longitudinaux (impulsions) au niveau théorique et expérimental. L'accent est mis sur le rapprochement de ces deux domaines où l'on peut facilement identifier un grand nombre de variables similaires. Un modèle général des OPO multimodes est développé, s'appuyant sur un traitement multimode de la conversion paramétrique dans un cristal non-linéaire d'ordre deux. Ce modèle conduit à des états non-classiques multimodes, intéressants pour l'information quantique, et peut être appliqué aux cas d'un OPO dans une cavité dégénérée pour les modes transverses, et d'un OPO pompé en modes synchrones (SPOPO). Tous ces développements théoriques s'orientent vers plusieurs expériences d'optique multimode décrites dans ce manuscrit. La première est une étude de la transmission et le doublage de fréquence d'images dans une cavité auto-imageante. Deux expériences d'imagerie quantique sont ensuite décrites: l'une conduit à une réduction de bruit multimode dans un OPO au dessus du seuil et la seconde utilise un OPO dans une cavité auto-imageante et permet la production et la caractérisation d'un état trimode sous le seuil de l'OPO. Enfin, on décrit la mise en place expérimentale d'un SPOPO qui conduit à des premiers résultats de réduction de bruit sur un peigne de fréquence.
Le bruit de grenaille est considere comme une limite fondamentale a la resolution des images optiques classiques. En fait, il est possible de passer au dela de cette limite en utilisant des etats multimodes non classiques de la lumiere. Un Oscillateur Parametrique Optique (OPO) degenere en modes transverses peut permettre de generer de tels etats. En particulier, dans des mesures de petits deplacements de faisceaux, un OPO concentrique peut permettre d'obtenir une resolution superieure a la limite quantique standard. Un oscillateur parametrique confocal degenere en frequence permet d'emettre des faisceaux multimodes dont le bruit local est inferieur au bruit de grenaille. L'experience presentee ici cherche a mettre en evidence de tels etats. Les faisceaux classiques emis resultent de l'interaction non-lineaire d'un grand nombre de modes transverses, condition necessaire pour observer les etats multimodes non-classiques.
Nous étudions les propriétés quantiques des images optiques. Sur le plan théorique, nous nous plaçons dans le plan transverse du champ électromagnétique pour définir des observables les plus proches possibles de ce que mesurent les détecteurs en optique. Nous montrons alors la nécessité d'une approche multimode transverse pour la description des images. Nous élaborons une méthode de calcul des fluctuations en tout point du plan transverse d'un nombre quelconque de champs après leur interaction avec un cristal non linéaire. Nous appliquons ces principes pour définir les limites de résolution dans les images optiques imposées par la mécanique quantique. Nous appliquons le cas particulier du champ bimode aux mesures de positions d'un faisceau effectuées par un détecteur à deux zones. Nous montrons alors, à la fois théoriquement et expérimentalement, que le choix adéquat de deux modes non classiques permet de faire des mesures de déplacement en dessous de la limite quantique standard. D'un autre côté, nous appliquons la méthode de calcul des fluctuations au cas particulier du soliton spatial, système permettant de s'affranchir de la diffraction. On montre que, même si elle ne modifie pas le champ moyen, la diffraction est responsable de la diffusion des propriétés quantiques, qui se retrouvent alors dans les fonctions de corrélations entre deux points transverses. Finalement, nous décrivons une expérience réalisée avec un oscillateur paramétrique optique dégénéré transversalement, qui permet de faire osciller pour une même longueur de cavité un grand nombre de modes transverses. La présence d'un cristal non linéaire d'ordre deux permet de coupler les modes et d'obtenir des effets quantiques non monomodes transverses.
La portée des communications quantiques est limitée à quelques dizaines de km en raison de l’atténuation dans les fibres. Les répéteurs quantiques (relais quantiques synchronisés par des mémoires quantiques photoniques) furent introduits afin d’accroître ces distances. Or, pour le moment, les mémoires les plus performantes fonctionnent à des longueurs d’onde n’appartenant pas à la bande C télécom. Afin de profiter de ces mémoires, l’utilisation d’interfaces quantiques (milieu non linéaire quadratique) fut proposée comme alternative. En ajoutant ainsi par somme de fréquences un photon de pompe de longueur d’onde appropriée au photon télécom portant l’information, on transfère l’information à une longueur d’onde compatible avec les mémoires, et ceci sans dégradation de l’information portée initialement par le photon télécom. Notre but est ainsi de construire un oscillateur paramétrique optique continu simplement résonant (SRO) qui fournira un faisceau à 1648 nm qui sera sommé en fréquence aux photons télécom à 1536 nm pour transférer l’information vers un photon stockable dans une mémoire à base d’atomes alcalins. Pour transférer efficacement l’information, le SRO doit satisfaire quelques critères : une haute finesse spectrale (largeur de raie ~kHz), une forte puissance (~1W) et une longueur d’onde plus grande que celle du photon télécom à convertir. Pour ce faire, nous utilisons le faisceau non-résonant d’un SRO continu. Le premier travail réalisé dans cette thèse a été de faire la démonstration de la possibilité d’avoir un faisceau à la fois intense et pur spectralement en sortie d’un SRO continu. En réutilisant un SRO déjà développé durant nos travaux antérieurs, nous avons pu stabiliser au niveau du kHz la fréquence du faisceau non résonant à 947 nm (onde signal) de ce SRO, tout en émettant une puissance de plus d’un watt. Ensuite, nous avons conçu le SRO dont le faisceau non résonant à 1648 nm (onde complémentaire) a été stabilisé à court terme en-dessous du kHz avec une puissance de l’ordre du watt. Nous avons ensuite étudié la stabilité à long terme de la longueur d’onde du complémentaire à 1648 nm. Nous avons mesuré des dérives de fréquences de l’ordre de 10 MHz/mn. Ces dérives, venant essentiellement de la cavité de référence sur laquelle le SRO est asservi, peuvent être réduites en contrôlant activement la cavité d’une part, et en utilisant des techniques de stabilisation en fréquence robustes, d’autre part.
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