La plupart des protocoles de stockage quantique de l'information reposent sur l'enregistrement d'un signal lumineux dans une superposition d'états de longue durée de vie. L'élément clé pour réaliser un tel enregistrement est un système atomique à 3 niveaux en Lambda, où deux sous-niveaux fondamentaux sont couplés optiquement à un même niveau supérieur. L'excitation optique est alors stockée dans une superposition des deux sous-niveaux fondamentaux. Les cristaux dopés aux ions de terre rare sont des candidats prometteurs pour ces applications, car ils présentent des durées de vie des cohérences optiques et hyperfines particulièrement longues. Cette thèse est consacrée à l'étude de l'ion thulium, un ion de terre rare non-Kramers, comme alternative aux ions Pr et Eu qui ont longtemps été considérés comme étant les seuls candidats possibles pour la réalisation d'une mémoire quantique. Grâce à son spin nucléaire 1/2, le thulium présente une structure de sous-niveaux Zeeman nucléaires particulièrement simple, dont l'espacement peut être aisément contrôlé à l'aide d'un champ magnétique externe. De plus, la longueur d'onde d'absorption du thulium à 793 nm est accessible aux lasers à semi-conducteurs qui peuvent être facilement stabilisés en dessous du kHz. Au cours de cette thèse, nous avons construit un système à 3 niveaux en Lambda dans le Tm:YAG. Nous avons également mis en oeuvre des processus cohérents permettant de manipuler optiquement un état de superposition de spin nucléaire, comme les échos Raman et le STIRAP. L'ensemble des résultats obtenus montrent que le thulium est un bon candidat pour la démonstration de certains protocoles de mémoire quantique.
La plupart des protocoles de stockage quantique de l'information reposent sur l'enregistrement d'un signal lumineux dans une superposition d'états de longue durée de vie. L'élément clé pour réaliser un tel enregistrement est un système atomique à 3 niveaux en Lambda, où deux sous-niveaux fondamentaux sont couplés optiquement à un même niveau supérieur. L'excitation optique est alors stockée dans une superposition des deux sous-niveaux fondamentaux. Les cristaux dopés aux ions de terre rare sont des candidats prometteurs pour ces applications, car ils présentent des durées de vie des cohérences optiques et hyperfines particulièrement longues. Cette thèse est consacrée à l'étude de l'ion thulium, un ion de terre rare non-Kramers, comme alternative aux ions Pr et Eu qui ont longtemps été considérés comme étant les seuls candidats possibles pour la réalisation d'une mémoire quantique. Grâce à son spin nucléaire 1/2, le thulium présente une structure de sous-niveaux Zeeman nucléaires particulièrement simple, dont l'espacement peut être aisément contrôlé à l'aide d'un champ magnétique externe. De plus, la longueur d'onde d'absorption du thulium à 793 nm est accessible aux lasers à semi-conducteurs qui peuvent être facilement stabilisés en dessous du kHz. Au cours de cette thèse, nous avons construit un système à 3 niveaux en Lambda dans le Tm:YAG. Nous avons également mis en oeuvre des processus cohérents permettant de manipuler optiquement un état de superposition de spin nucléaire, comme les échos Raman et le STIRAP. L'ensemble des résultats obtenus montrent que le thulium est un bon candidat pour la démonstration de certains protocoles de mémoire quantique.
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 cristaux dopés aux ions de terres rares sont des matériaux prometteurs pour le traitement de l’information quantique, grâce à la possibilité de réaliser des mémoires quantiques et des analyseurs spectraux large bande à basse température. De plus, il a récemment été démontré que le transfert de cohérence entre les spins électroniques et nucléaires pouvait être effectué avec une fidélité élevée dans ces matériaux, permettant d’envisager le stockage sur de longues échelles de temps. La possibilité d’agir directement sur le profil d’absorption de ces ions rend possible l’analyse de radiofréquences large bande et très haute résolution, ainsi que de nouvelles architectures de traitement du signal. Yb3+ possède des propriétés optiques remarquables dans Y2SiO5, notamment en termes de force d’oscillateur et de largeur inhomogène fine à faible concentration. Ce doctorat s’intéresse tout particulièrement à l’isotope 171Yb3+, qui est le seul ion de terre rare paramagnétique à spin nucléaire I=1/2, permettant d’avoir une structure énergétique relativement simple à exploiter. Grâce à la faible largeur inhomogène (≈1 GHz), les transitions de spin nucléaires sont résolues optiquement, ce qui maximise le pompage optique dans les niveaux de spin, et facilite les étapes de préparation dans les protocoles de traitement de l’information quantique.Le système 171Yb3+:Y2SiO5 est dotée de très bonnes propriétés en termes de temps de vie de cohérence, néanmoins limitée à basse température par des relaxations croisées entre spins voisins. Au lieu d’utiliser un champ magnétique pour réduire ces basculements réciproques, nous avons choisi de rester à champ magnétique nul, pour conserver le point ZEFOZ de notre système où les processus décohérents sont faibles, et nous avons utilisé une approche centrée sur le matériau pour repousser cette limite imposée par les relaxations croisées. Pour ce faire, la croissance de monocristaux a été effectuée au cours du doctorat par la méthode Czochralski, dont les paramètres peuvent être ajustés pour produire différentes propriétés au sein des échantillons produits. La qualité cristalline et l’environnement de l’ion sont optimisés pour augmenter la cohérence optique et de spin du système, ou encore pour améliorer la résolution et la bande passante pour l’analyse de signaux radiofréquences sur porteuse optique. Dans ces travaux de thèse, différents paramètres sont explorés dans le but d’identifier les conditions offrant les meilleures propriétés pour les applications visées : concentration en dopant, atmosphère de croissance, transition interrogée, orientation du cristal, et température du cryostat. Une étude approfondie du matériau a alors pu être menée selon ces conditions expérimentales. Malgré la plus grande sensibilité aux fluctuations électromagnétiques des ions de terres rares paramagnétiques, le temps de cohérence optique à champ nul le plus long, tout ion Kramers inséré dans YSO confondu, a été mesuré dans un cristal dopé à 2 ppm de 171Yb3+:Y2SiO5 élaboré sous atmosphère oxygénée, dépassant la milliseconde. Un moyen permettant de coupler efficacement 171Yb3+ à des plateformes photoniques intégrées a finalement été étudié, dans le but de compenser l’absorption intrinsèque faible des électrons 4f des ions de terres rares. Un monocristal dopé de LiNbO3 a été exploré pour la première fois, démontrant des propriétés prometteuses. Les grandeurs établies ici serviront de référence pour des travaux futurs dans ce matériau, dans lequel les procédés de nano-fabrication de guides d’onde ou de résonateurs optiques sont déjà matures d’un point de vue technologique.
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.
Aux basses températures, les matrices dopées aux ions terre-rare sont des systèmes prometteurs pour la réalisation de mémoires quantiques. Parmi elles, le système Er³⁺:Y₂SiO₅ a l'avantage de posséder une transition aux longueurs d'onde Télécom, adaptée aux réseaux de communication actuels. Cependant, aucun stockage quantique n'a pu être réalisé de manière efficace durant un temps suffisamment long dans ce matériau. L'objectif de cette thèse est de mieux comprendre les interactions limitant la cohérence du système aux faibles champs magnétiques. Dans ce cadre là, les interactions dominantes sont les basculements réciproques entre deux spins électroniques opposés des ions erbium et l'interaction super-hyperfine entre ces spins et les spins nucléaires des ligands yttrium. J'ai calculé la force et les caractéristiques de ces deux couplages dipolaires en incluant la grande anisotropie de la matrice Y₂SiO₅. J'ai alors pu vérifier l'effet de cette anisotropie sur les basculements réciproques des spins des ions erbium à l'aide de deux techniques optiques, le creusement de trou spectral et l'excitation transitoire. Le taux de ces basculements est maximisé lorsque le champ magnétique est orienté perpendiculairement à l'axe principal du tenseur caractérisant le spin effectif. Il augmente globalement comme le carré de la concentration en ions dopants et diminue avec le champ magnétique. Enfin, j'ai pu mesurer les caractéristiques des interactions super-hyperfines par le biais des modulations d'une décroissance d'écho de photon qu'elles provoquent. Il existe une configuration particulière où un couplage sélectif intervient entre les ions erbium et un unique yttrium de leurs environnements. Au contraire, le couplage à un nombre important d'ions ligands est responsable de la chute du temps de cohérence pour des champs magnétiques inférieurs à la dizaine de mT.
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.
Ce travail se place dans le contexte des recherches sur les mémoires quantiques pour la lumière. L’information quantique est stockée dans un état de superposition atomique, dont la durée de vie détermine le temps maximum de stockage.On s’intéresse particulièrement aux matériaux capables de capturer la lumière par excitation résonnante d’une raie d’absorption, puis de conserver l’information quantique dans un état de superposition du fondamental électronique.Dans Tm3+:YAG, l’information est enregistrée dans un état de spin nucléaire. Cependant le champ magnétique qui lève la dégénérescence nucléaire entraîne les différents spins à des vitesses de précession différentes, ce qui tend à détruire l’aimantation initiale, porteuse de l’information.Une étude quantique du cristal est réalisée lors du premier chapitre de ce manuscrit. Les trois chapitres suivants traitent des différents mécanismes conduisant au déphasage des spins nucléaires. On y trouvera différente analyses théoriques qui seront confirmées par un ensemble de résultats expérimentaux, ainsi qu’une description détaillée du dispositif expérimental. Enfin le dernier chapitre, prospectif, exploite les outils développés au cours de la thèse pour préserver les cohérences optiques. Il présente quelques résultats expérimentaux prometteurs sur l’allongement du temps de vie de ces cohérences optiques.