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.
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.
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.
Les cristaux massifs de terres rares ont largement prouvé leur intérêt dans le domaine des technologies quantiques grâce à la finesse de leurs raies spectrales à température cryogénique, tant pour les transitions optiques, que de spin nucléaire et électronique. Ceci a donné lieu à de nombreuses démonstrations lors des dernières années, entre les plus notables celles dans le domaine des mémoires quantiques pour la lumière. Ces transitions fines sont pourtant plus une caractéristique inhérente aux ions de terres rares, issue de leur configuration électronique, que du milieu où ses ions s’insèrent et qui joue un rôle plus ou moins perturbateur. Ainsi, il est envisageable d’introduire les ions de terres rares dans des hôtes cristallins différents, et même dans des environnements variés tels que des nanomatériaux ou des complexes moléculaires, en espérant pouvoir garder leurs propriétés spectroscopiques remarquables. L’obtention de matériaux à base de terres rares performants, et permettant un couplage efficace avec des dispositifs optiques et photoniques est une des motivations principales des études présentées dans ce manuscrit. Ceci ouvre de nombreuses possibilités, notamment pour l’utilisation de ces matériaux pour le calcul et les communications quantiques. Ce manuscrit est divisé en deux chapitres principaux. Le Chapitre 1 est dévoué à des études sur des nanoparticules d’Y2O3 dopées Eu3+. Le Chapitre 2 est consacré à des résultats prometteurs obtenus avec des complexes moléculaires de terres rares. Cette famille de matériaux partage les avantages des nanoparticules pour un couplage efficace avec des dispositifs photoniques, tout en allant beaucoup plus loin dans les possibilités de conception et mise en forme.
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".
Les technologies quantiques visent à développer de nouvelles fonctionnalités pour les communications, le traitement de données ou encore les capteurs. Parmi les matériaux développés pour ces technologies, les centres colorés dans le diamant et les cristaux dopés par des ions de terres rares sont particulièrement prometteurs. Ces deux systèmes présentent des caractéristiques exceptionnelles mais distinctes, en termes de durée de vie de spin et d'interaction avec la lumière. Une structure hybride diamant/terres rares pourrait combiner ces propriétés remarquables, ce qu'aucun système pris individuellement ne présente à ce jour, ouvrant la voie à des fonctionnalités inédites pour les technologies quantiques.Ce travail de thèse vise à mettre en évidence des interactions à l'échelle nanométrique entre les ions Er3+ intégrés dans des cristaux d'oxyde ou de fluorure et les centres NV- présents dans le diamant. La probabilité d'interaction n'est significative que si les centres colorés se trouvent à quelques nanomètres des ions de terre rare. La démonstration de telles interactions est ainsi un défi ambitieux étant donné que ces deux systèmes se trouvent dans des matériaux différents. L'implémentation de simulations a permis de modéliser les interactions et d'estimer les paramètres géométriques des structures permettant de maximiser la probabilité d'interaction. Des échantillons nanostructurés ont d'abord été étudiés séparément. Les interactions entre les ions Yb3+ et Er3+ ont en particulier été modélisées pour optimiser les concentrations de dopage dans des nanoparticules d'Y2O3. Par la suite, différentes structures hybrides ont été synthétisées et caractérisées. Des dépôts de couches minces d'oxyde dopées terre rare ont notamment été réalisés sur du diamant monocristallin et les propriétés des centres NV- et des ions de terre rare montrent des résultats très similaires aux échantillons massifs témoignant de la haute qualité de la structure hybride. Ces résultats prometteurs ouvrent la voie à des structures hybrides efficaces pour les technologies quantiques.
Les technologies optiques quantiques utilisent la lumière pour transmettre des données et contrôler d'autres systèmes quantiques. Elles offrent des avancées radicales dans les communications ultra-sécurisées, les capteurs dépassant les limites classiques et la simulation de systèmes quantiques. Pour répondre aux exigences très élevées de ces applications, des systèmes à degrés de liberté quantiques multiples pouvant être interfacés à la fois à la lumière et à d'autres systèmes quantiques sont nécessaires. Ce type d'architectures hybrides n'est cependant pas réalisable actuellement à l'état solide, un point clé du point de vue technologique. Récemment, les cristaux dopés par des ions terres rares ont été identifiés comme une alternative prometteuse. En effet, à l´état massif, ces matériaux présentent des temps de cohérence optiques et de spins extrêmement longs, respectivement de l'ordre de la ms et de l'heure. Ces propriétés tout à fait uniques ont permis d'obtenir des effets quantiques remarquables, comme la téléportation lumièrematière à une longueur d'onde télécom (Nat. Photonics 2014). Transposées à l'échelle nanométrique, elles permettraient de construire des systèmes hybrides quantiques capables de fonctionnalités inédites dans le domaine des communications, de l'opto-électronique ou de la métrologie. Ce projet a pour objectif le développement de cristaux dopés terres rares nanostructurés possédant de longs temps de cohérence optiques et de spins. Ces matériaux seront obtenus sous forme de particules par une approche "bottom-up", permettant une grande flexibilité de morphologie, de taille et de composition. Ceci est nécessaire pour un contrôle très fin des processus de déphasage et le couplage à d'autres systèmes quantiques. La caractérisation se fera en particulier par spectroscopie otique à très haute résolution. Ce projet s'appuie sur la grande expérience de l'IRCP dans les cristaux dopés terres rares pour les technologies quantiques (PRL 2014, Nat. Phys. 2015) et en particulier ses avancées récentes dans les nanocristaux (PRL 2013).
Les technologies optiques quantiques utilisent la lumière pour transmettre des données et contrôler d'autres systèmes quantiques. Elles offrent des avancées radicales dans les communications ultra-sécurisées, les capteurs dépassant les limites classiques et la simulation de systèmes quantiques. Pour répondre aux exigences très élevées de ces applications, des systèmes à degrés de liberté quantiques multiples pouvant être interfacés à la fois à la lumière et à d'autres systèmes quantiques sont nécessaires. Ce type d'architectures hybrides n'est cependant pas réalisable actuellement à l'état solide, un point clé du point de vue technologique. Récemment, les cristaux dopés par des ions terres rares ont été identifiés comme une alternative prometteuse. En effet, à l´état massif, ces matériaux présentent des temps de cohérence optiques et de spins extrêmement longs, respectivement de l'ordre de la ms et de l'heure. Ces propriétés tout à fait uniques ont permis d'obtenir des effets quantiques remarquables, comme la téléportation lumièrematière à une longueur d'onde télécom (Nat. Photonics 2014). Transposées à l'échelle nanométrique, elles permettraient de construire des systèmes hybrides quantiques capables de fonctionnalités inédites dans le domaine des communications, de l'opto-électronique ou de la métrologie. Ce projet a pour objectif le développement de cristaux dopés terres rares nanostructurés possédant de longs temps de cohérence optiques et de spins. Ces matériaux seront obtenus sous forme de particules par une approche "bottom-up", permettant une grande flexibilité de morphologie, de taille et de composition. Ceci est nécessaire pour un contrôle très fin des processus de déphasage et le couplage à d'autres systèmes quantiques. La caractérisation se fera en particulier par spectroscopie otique à très haute résolution. Ce projet s'appuie sur la grande expérience de l'IRCP dans les cristaux dopés terres rares pour les technologies quantiques (PRL 2014, Nat. Phys. 2015) et en particulier ses avancées récentes dans les nanocristaux (PRL 2013).