Le domaine de l'information quantique tire partie des lois de la mécanique quantique pour élaborer des protocoles de traitement de l'information originaux. Des réseaux qui transportent ce type d'information ont déjà été démontrés mais leur portée est cependant limitée à une centaine de kilomètres à cause des pertes en ligne. Pour franchir cette limite l'élément clef à développer est une mémoire quantique, c'est à dire un milieu atomique capable de stocker un état quantique et dont les performances reposent conjointement sur un excellent couplage avec la lumière (pour les phases d'écriture ou de lecture) et un temps de cohérence important (pour la phase de stockage). Les ions piégés constituent un candidat intéressant pour l'implémentation d'une mémoire quantique, notamment car ils peuvent présenter d'excellentes propriétés d'isolation par rapport à leur environnement. La difficulté à réaliser une mémoire quantique avec des ions piégés tient en particulier à l'obtention d'un couplage important entre l'ensemble d'ions et la lumière, c'est à dire l'obtention d'un nuage atomique le plus dense et froid possible. Durant le travail de thèse, nous avons développé un ensemble expérimental capable de confiner, refroidir et observer plusieurs millions d'ions. Une méthode originale de chargement du piège fondée sur l'absorption simultanée de deux photons a été développée, nous permettant de limiter l'énergie initiale d'un ion et la pollution de l'environnement d'un tel nuage. Un piège de Paul linéaire de dimensions centimétriques a été dessiné et fabriqué au laboratoire pour confiner les ions et faciliter le régime de très faible température. En utilisant une technique de refroidissement laser, nous avons atteint ce régime dans lequel les ions adoptent une structure spatiale périodique, le cristal de Wigner. Cette structure a été observée dans des chaînes contenant quelques ions et dans des nuages dont la population dépasse le million. Les paramètres pertinents qui gouvernent la densité et la stabilité de ces cristaux ont été identifiés. Ces travaux sont une étape très encourageante pour l'obtention d'un couplage important entre les ions et la lumière, et la mise en oeuvre d'un protocole de mémoire quantique.
Le domaine de l'information quantique tire partie des lois de la mécanique quantique pour élaborer des protocoles de traitement de l'information originaux. Des réseaux qui transportent ce type d'information ont déjà été démontrés mais leur portée est cependant limitée à une centaine de kilomètres à cause des pertes en ligne. Pour franchir cette limite l'élément clef à développer est une mémoire quantique, c'est à dire un milieu atomique capable de stocker un état quantique et dont les performances reposent conjointement sur un excellent couplage avec la lumière (pour les phases d'écriture ou de lecture) et un temps de cohérence important (pour la phase de stockage). Les ions piégés constituent un candidat intéressant pour l'implémentation d'une mémoire quantique, notamment car ils peuvent présenter d'excellentes propriétés d'isolation par rapport à leur environnement. La difficulté à réaliser une mémoire quantique avec des ions piégés tient en particulier à l'obtention d'un couplage important entre l'ensemble d'ions et la lumière, c'est à dire l'obtention d'un nuage atomique le plus dense et froid possible. Durant le travail de thèse, nous avons développé un ensemble expérimental capable de confiner, refroidir et observer plusieurs millions d'ions. Une méthode originale de chargement du piège fondée sur l'absorption simultanée de deux photons a été développée, nous permettant de limiter l'énergie initiale d'un ion et la pollution de l'environnement d'un tel nuage. Un piège de Paul linéaire de dimensions centimétriques a été dessiné et fabriqué au laboratoire pour confiner les ions et faciliter le régime de très faible température. En utilisant une technique de refroidissement laser, nous avons atteint ce régime dans lequel les ions adoptent une structure spatiale périodique, le cristal de Wigner. Cette structure a été observée dans des chaînes contenant quelques ions et dans des nuages dont la population dépasse le million. Les paramètres pertinents qui gouvernent la densité et la stabilité de ces cristaux ont été identifiés. Ces travaux sont une étape très encourageante pour l'obtention d'un couplage important entre les ions et la lumière, et la mise en oeuvre d'un protocole de mémoire quantique.
Le mémoire présenté ici reprend une partie de ma contribution aux travaux de l'équipe Confinement d'Ions et Manipulation Laser du laboratoire PIIM, que j'ai rejoint en 2000. Cette équipe inscrit ses recherches autour du confinement d'ions en piège de Paul et de leur interaction avec des lasers. Le projet historique de l'équipe porte sur l'utilisation d'un ion unique de calcium refroidi par laser pour la métrologie des fréquences optiques. L'aboutissement de ce projet implique de relever de nombreux défis techniques concernant la stabilisation en fréquences des lasers et leur utilisation pour le contrôle de l'état interne et externe d'un ion. C'est plutôt à cette deuxième facette que mon travail s'adresse, autour du contrôle de l'état quantique d'un ion unique piégé, par des protocoles à un, deux ou trois photons, cohérents ou non. Par ailleurs, un nouveau projet expérimental est en préparation depuis plus d'un an et concerne le confinement de grands échantillons, refroidis par laser. L'originalité du projet repose sur l'utilisation d'un piège linéaire double, comportant une partie quadrupolaire et une partie multipolaire. Cette dualité permettra de comparer le comportement collectif d'un ensemble d'ions, comme les transitions de phase, en fonction du profil du potentiel de confinement. De plus, la mise en série des deux pièges de symétrie différente permet aussi de tester des protocoles de transport optimal pour transférer les ions d'un piège à l'autre, avec un minimum de chauffage. Ce rapport est organisé comme suit. Sont présentés dans un premier temps les résultats originaux concernant le refroidissement laser d'ions piégés et les performances attendues pour une horloge optique basée sur un ion unique de calcium. Différentes méthodes numériques uti\-li\-sées pour prendre en compte le mouvement des ions dans leur interaction avec un ou des lasers y sont introduites. Le chapitre suivant est consacré à des phénomènes cohérents à deux et trois photons et à la perte de cohérence induite par le mouvement des ions. L'influence du mouvement sur la cohérence de l'état interne construit par l'interaction avec deux lasers permet de proposer une méthode originale pour caractériser le mouvement d'un ion unique. Un phénomène de piégeage cohérent de population observable dans l'ion calcium est démontré et son exploitation pour un étalon de fréquence THz est proposée. Dans le dernier chapitre sont abordées les problématiques liées au confinement de larges échantillons (pouvant atteindre 107 ions) et leur couplage avec des lasers. Les lois d'échelles régissant l'équilibre thermodynamique et la dynamique de grands nuages sont analysées, en vue de la conception d'une nouvelle expérience, dédiée à l'étude des phénomènes collectifs dans de larges échantillons refroidis. Un modèle de champ moyen, dit {\it plasma non neutre} est utilisé pour déduire le comportement d'un nuage à l'équilibre thermodynamique et son profil de densité. Dans la limite d'un petit nombre d'ions piégés, les simulations par dynamique moléculaire nous permettent d'étudier le refroidissement des ions et leur organisation à basse température. Ceci nous permet de proposer l'exploitation de la structure en anneau formée par quelques dizaines d'ions en multipole, pour un étalon de fréquence optique d'un nouveau type. Chaque chapitre comporte une introduction générale au sujet abordé et reprend, en les commentant, les articles publiés concernant ce sujet, quand ceux-ci concernent des travaux personnels. Ce mémoire s'achève en abordant des perpectives sur les travaux à mener dans les prochaines années.
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
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.
Cette these s'inscrit dans le domaine general de l'information quantique, qui cherche a tirer parti des lois de la mecanique quantique pour proposer des protocoles de traitement de l'information originaux. Ce travail se focalise sur l'un des systemes les plus prometteurs en terme d'information quantique : les ions uniques confines dans des pieges radio-frequence et refroidis par laser. Une etude theorique a permis de proposer un protocole original d'echange d'etats intriques sur de longues distances, utilisant des ions pieges. L'etude de la miniaturisation des dispositifs de piegeage, permettant d'envisager la construction de futurs ordinateurs quantiques, passe par la comprehension de l'effet des defauts des electrodes sur un ion piege : cette these propose un modele analytique original permettant de calculer la loi d'echelle de l'effet des bruits electriques avec la taille du piege. Ce modele servira a optimiser le protocole de fabrication de pieges miniatures, dont les premiers echantillons ont ete realises et sont en cours de test sur un dispositif experimental dedie (enceinte a vide, electronique de controle et sources laser de refroidissement). Les premiers resultats prometteurs ont permis de demontrer le piegeage et le refroidissement d'ion uniques de Strontium refroidis par laser, dans un piege de Paul lineaire macroscopique.
Cette thèse s'inscrit dans le domaine général de l'information quantique, qui cherche à tirer parti des lois de la mécanique quantique pour proposer des protocoles de traitement de l'information originaux. Ce travail se focalise sur l'un des systèmes les plus prometteurs en terme d'information quantique : les ions uniques confinés dans des pièges radio-fréquence et refroidis par laser. Une étude théorique a permis de proposer un protocole original d'échange d'état intriqués sur de longues distances, utilisant des ions piégés. L'étude de la miniaturisation des dispositifs de piégeage, permettant d'envisager la construction de futurs ordinateurs quantiques, passe par la compréhension de l'effet des défauts des électrodes sur un ion piégé : cette thèse propose un modèle analytique original permettant de calculer la loi d'échelle de l'effet des bruits électriques avec la taille du piège. Ce modèle servira à optimiser le protocole de fabrication de pièges miniatures, dont les premiers échantillons ont été réalisés et sont en cours de test sur un dispositif expérimental dédié (enceinte à vide, électronique de contrôle et sources laser de refroidissement). Les premiers résultats prometteurs ont permis de démontrer le piégeage et le refroidissement d'ion uniques de Strontium refroidis par laser, dans un piège de Paul linéaire macroscopique.
Au cours de ces dernières années, les technologies de l'information se sont développées de manière fulgurante, l'augmentation de la vitesse de connexion `a Internet augmente de manière exponentielle chaque année. Il en résulte que de plus en plus de données personnelles ou confidentielles sont échangées. Il devient donc urgent de sécuriser ces lignes de communications utilisés quotidiennement. La communication quantique permet l'échange de clés de cryptage secrètes dont la sécurité est basée sur les lois de la physique quantique. En effet en encodant de l'information sur des photons uniques, il est possible de détecter l'interception ou la modification de cette information. Cette communication quantique est néanmoins sujette aux pertes intrinsèques au réseau de télécommunication par fibre optique, ainsi la distance de communication est limitée `a une centaine de kilomètres. Il est donc nécessaire de développer un protocole analogue au répéteur utilisé pour les communication classiques. Ce répéteur quantique permettrait la distribution d'états quantiques sur de très longues distances. L'implémentation de ce protocole nécessite l'utilisation d'un dispositif capable de stocker et libérer la lumière quantique sur demande. Les cristaux dopés aux ions terres rares font partie des candidats prometteurs pour la réalisation de telles mémoires quantiques. En utilisant ces cristaux il est possible de transférer le photon en une excitation de spin et vice-versa ce qui permet un stockage de longue durée et sur demande. Au cours de ce doctorat, j'ai étudié différents cristaux dopés aux ions terres rares et en particulier les propriétés de cohérence de leurs états de spin. J'ai utilisé et développé des nouvelles techniques de spectroscopies pour caractériser ces cristaux et leur viabilité pour le stockage d'information quantique. Cela permis de développer les compétences nécessaires au contrôle cohérent de spin dans ces cristaux. Grâce à ce contrôle nous avons pu étendre la durée du temps de stockage de plusieurs ordres de grandeurs de la microseconde jusqu'à la milliseconde. De plus cette expérience a démontré qu'il est possible de manipuler une excitation unique délocalisé sur un grand ensemble d'ions (plus de mille milliards) sans dégrader le signal en sortie. Suite à cela j'ai caractérisé la capacité multimode et la fidélité de notre mémoire ainsi que son caractère quantique. J'ai ensuite développé et implémenté un protocole permettant d'utiliser le cristal en tant que source et mémoire sur demande de photons uniques. Cette expérience est la première réalisation d'un tel protocole dans les solides en utilisant des photons uniques. Finalement j'ai étudié le potentiel d'un cristal fortement dopé pour le stockage d'information quantique. J'ai identifié et mesuré une interaction de type Dzyaloshinskii-Moriya entre deux ions voisins dans le cristal. Ce couple d'ions, analogue à une molécule piégé dans la maille cristalline, pourrait présenté un potentiel avantage comparés à l'ion isolé.