Cette thèse porte sur le développement de mémoires quantiques efficaces basées sur des ensembles d’atomes froids. Ces mémoires, qui ont la capacité de stocker un état quantique photonique pour le récupérer sur demande après un temps défini, constituent un élément central pour la construction de réseaux quantiques à grande échelle. Nous commençons par expliquer pourquoi une mémoire quantique est importante dans ce contexte, et nous expliquons de quelle façon l’efficacité d’une mémoire est un paramètre crucial, qui se doit d’être proche de l’unité pour mener à bien des applications réalistes. Nous nous concentrons ensuite sur l’optimisation de ce paramètre en expliquant notamment comment l’absorptivité des atomes et la transition choisie influe sur l’efficacité. Dans le but de préparer notre ensemble d’atomes à agir comme une mémoire quantique efficace, plusieurs techniques expérimentales sont aussi présentées. Nous démontrons finalement deux expériences de stockage quantique sur la ligne D1 du césium. La première est le stockage de photons uniques avec une efficacité record de η = (87±5)%. Ensuite, nous étendons ce résultat à un stockage d’intrication photonique et nous démontrons un transfert d’intrication avec une efficacité de transfert de λ = (80 ± 20)%. Ces résultats constituent une avancée essentielle vers la construction d’un réseau quantique de grande échelle.
Cette thèse porte sur le développement de mémoires quantiques efficaces basées sur des ensembles d’atomes froids. Ces mémoires, qui ont la capacité de stocker un état quantique photonique pour le récupérer sur demande après un temps défini, constituent un élément central pour la construction de réseaux quantiques à grande échelle. Nous commençons par expliquer pourquoi une mémoire quantique est importante dans ce contexte, et nous expliquons de quelle façon l’efficacité d’une mémoire est un paramètre crucial, qui se doit d’être proche de l’unité pour mener à bien des applications réalistes. Nous nous concentrons ensuite sur l’optimisation de ce paramètre en expliquant notamment comment l’absorptivité des atomes et la transition choisie influe sur l’efficacité. Dans le but de préparer notre ensemble d’atomes à agir comme une mémoire quantique efficace, plusieurs techniques expérimentales sont aussi présentées. Nous démontrons finalement deux expériences de stockage quantique sur la ligne D1 du césium. La première est le stockage de photons uniques avec une efficacité record de η = (87±5)%. Ensuite, nous étendons ce résultat à un stockage d’intrication photonique et nous démontrons un transfert d’intrication avec une efficacité de transfert de λ = (80 ± 20)%. Ces résultats constituent une avancée essentielle vers la construction d’un réseau quantique de grande échelle.
Transfert efficace d’intrication entre photons et mémoires quantiques Cette thèse porte sur le développement de mémoires quantiques efficaces basées sur des ensembles d’atomes froids. Ces mémoires, qui ont la capacité de stocker un état quantique photonique pour le récupérer sur demande après un temps défini, constituent un élément central pour la construction de réseaux quantiques à grande échelle. Nous commençons par expliquer pourquoi une mémoire quantique est importante dans ce contexte, et nous expliquons de quelle façon l’efficacité d’une mémoire est un paramètre crucial, qui se doit d’être proche de l’unité pour mener à bien des applications réalistes. Nous nous concentrons ensuite sur l’optimisation de ce paramètre en expliquant notamment comment l’absorptivité des atomes et la transition choisie influe sur l’efficacité. Dans le but de préparer notre ensemble d’atomes à agir comme une mémoire quantique efficace, plusieurs techniques expérimentales sont aussi présentées. Nous démontrons finalement deux expériences de stockage quantique sur la ligne D1 du césium. La première est le stockage de photons uniques avec une efficacité record de η = (87±5)%. Ensuite, nous étendons ce résultat à un stockage d’intrication photonique et nous démontrons un transfert d’intrication avec une efficacité de transfert de λ = (80 ± 20)%. Ces résultats constituent une avancée essentielle vers la construction d’un réseau quantique de grande échelle.
Mémoires quantiques pour la lumière avec des atomes froids : une implémentation en espace libre pour un stockage multimode ou une implémentation à base de nano-fibres pour une meilleure efficacité de collection. Nous étudions expérimentalement deux mémoires quantiques pour la lumière utilisant la transparence électromagnétiquement induite (EIT) dans des nuages froids de césium.Nous expliquons la pertinence des mémoires quantiques pour le développement de réseaux quantiques à longue distance, et décrivons la théorie de l’EIT en soulignant les paramètres essentiels pour l’implémentation de mémoires quantiques.Notre premier cas d’étude est un piège magnéto-optique en espace libre. Notre principal résultat est la démonstration du caractère multimode de ce système pour le stockage quantique de la lumière. Pour cela, nous utilisons des faisceaux de Laguerre-Gauss (LG), porteurs de moment angulaire orbital (OAM). Dans une première étape, nous avons montré que l’état de moment orbital d’impulsions lumineuses en régime de photons uniques est préservé lors du stockage dans la mémoire. Ensuite, nous avons implémenté un bit quantique comme une superposition de modes LG ayant des hélicités opposées. Nous avons développé un système original pour mesurer ces bits quantiques qui nous a permis de caractériser l’action de la mémoire. Nous avons ainsi pu montrer que le stockage quantique de ces bits quantiques.Le second système, également un nuage d’atomes froids, a la particularité que les atomes sont piégés optiquement autour d’un nano-guide d’onde. Ce design innovant permet une plus grande interaction entre lumière et matière, et facilite l’interfaçage des photons dans et hors de la mémoire. Nous décrivons la construction de ce dispositif et les premiers pas vers son utilisation en tant que mémoire quantique.
Mémoire quantique optique efficace à base d'atomes froids servant de plateforme de stockage dans un protocole de cryptographie Une étape importante pour le développement des réseaux quantiques est de combiner les protocoles de cryptographie avec les mémoires quantiques afin d'établir des communications sécurisées où les informations peuvent être stockées et récupérées sur demande. Un cas d'utilisation possible de ces réseaux est d'effectuer des transactions authentifiées synchronisées par l'utilisation de mémoires. Cependant, les pertes et le bruit ajoutés par les dispositifs de stockage peuvent être exploités par des agents malveillants pour dissimuler leurs tentatives de fraude. Les contraintes pour opérer dans un régime sécurisé sont donc très exigeantes en termes d'efficacité et de fidélité de la mémoire. Cette thèse se concentre sur l'implémentation d'un ensemble d'atomes froids, utilisé en tant que mémoire quantique basée sur l'EIT, dans un protocole de cryptographie. Les ingrédients clés pour optimiser l'efficacité de stockage ainsi que la méthode employée pour atténuer les sources de décohérence sont détaillés. Ce travail représente la première démonstration du protocole cryptographique nommé "quatum money" incluant une étape intermédiaire de stockage, tirant parti de notre mémoire quantique hautement efficace et à faible bruit. L'étape suivante consisterait à multiplexer spatialement le nuage atomique afin de stocker toute la séquence de qubits aléatoires en une seule fois. Dans ce contexte, la capacité multimode de notre mémoire a été simulée numériquement en utilisant deux techniques différentes de multiplexage spatial.
Cette thèse porte sur la réalisation d'un processeur quantique hybride, dans lequel les degrés de liberté collectifs d'un ensemble de spins sont utilisés comme une mémoire quantique multimode pour les qubits supraconducteurs. Nous concevons un protocole capable de stocker et de récupérer à la demande les états d'un grand nombre de qubits dans un ensemble de spin et nous démontrons les briques de bases des opérations mémoires avec des centres NV dans le diamant. Le protocole repose sur le couplage des spins à un résonateur à fréquence et facteur de qualité accordable. Les états quantiques sont écrits par absorption résonante d'un photon micro-ondes dans l'ensemble de spins, et lus par application d'une séquence d'impulsions aux spins. L'étape d'écriture du protocole est démontrée dans une première expérience dans laquelle sont intégrés sur la même puce un qubit supraconducteur, un résonateur à fréquence accordable, et l'ensemble de spins. Les états du qubit sont stockés dans les spins via le résonateur. Après le stockage, l'état quantique collectif qui en résulte est rapidement déphasé en raison de l'élargissement inhomogène de l'ensemble et une séquence de refocalisation doit être appliquée sur les spins pour déclencher la réémission collective comme un écho de l'état quantique initialement absorbé. Dans une seconde expérience, nous démontrons une brique de base importante de cette opération de lecture, qui consiste à récupérer de multiples impulsions micro-ondes classiques au niveau du photon unique en utilisant des techniques d’écho de Hahn. Enfin, le repompage optique des spins est implémenté afin de réinitialiser la mémoire entre deux séquences successives.
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
Des mémoires quantiques pour la mise en réseau et le calcul En vue de rendre possible l'émergence de technologies quantiques pour la communication et le calcul, une fonction essentielle à remplir est celle du stockage d'états quantiques. Dans cette thèse, nous nous intéressons à deux types de mémoires quantiques d'un point de vue théorique. Le premier type est celui des mémoires optiques à base d'ensembles atomiques, avec comme cas d'usage les réseaux quantiques. Ici, l'objectif est la distribution d'intrication à l'aide de modes électromagnétiques quantifiés ; les mémoires y jouent un rôle de tampon au sein de répéteurs quantiques, en capturant puis réémettant à la demande les photons. Partant d'une proposition d'architecture de réseau pour relier deux petits processeurs distants, nous abordons le problème de l'interface optique entre mémoires et processeurs, dont le couplage à la lumière peut se faire sur des échelles de temps très différentes. Plus précisément, nous introduisons un perfectionnement du protocole de mémoires à peigne de fréquences atomiques (dites AFC) pour permettre le remodelage arbitraire de l'enveloppe temporelle des photons uniques réémis par la mémoire ; cela implique une série de lectures partielles de la mémoire pour générer efficacement de longues superpositions temporelles. Armés de cette technique, nous établissons un dimensionnement pour des ions piégés comme processeurs et des cristaux dopés aux terres rares comme mémoires. Le second type de mémoires étudié est celui exploitant la notion de correction d'erreur quantique, qui joue un rôle central dans le calcul tolérant aux erreurs. Nous proposons une technique de simulation du processus d'encodage et de décodage à l'aide de réseaux de tenseurs, qui représentent de manière compressée les états mixtes sous forme de produit de matrices (dits MPS). Cela permet de réaliser du décodage optimal en présence de bruit, puis d'extraire des caractéristiques du code correcteur. Nous nous focalisons sur un exemple simple mais pertinent expérimentalement : celui du code de répétition. En guise de perspectives, nous inscrivons ces deux types de mémoires dans des applications communes.