La réalisation d une mémoire quantique pour la lumière met en jeu les aspects les plus fondamentaux de l interaction matière-rayonnement. Pour capturer l information quantique portée par la lumière, le matériau doit être capable de se maintenir dans un état de superposition quantique. Le temps de stockage est limité par la durée de vie de cet état, caractérisée par le temps de cohérence. Les premières expériences ont été réalisées dans des vapeurs atomiques froides, bien connues. Plus récemment, les ions de terres rares en matrice cristalline (REIC) ont attiré l attention par leurs long temps de cohérence, associés à de larges bandes passantes d interaction. Pour exploiter ces bonnes propriétés, des protocoles spécifiques ont été proposés. Nous nous sommes tournés vers un dérivé prometteur de l écho de photon, le Peigne Atomique de Fréquences (AFC, proposé en 2008), fondé sur la transmission du champ incident à travers un profil d absorption spectralement périodique. Les premiers chapitres de ce manuscrit présentent ce protocole et les travaux effectués durant cette thèse pour en améliorer l efficacité (i.e. la probabilité de capter et de restituer l information incidente), en augmenter la bande passante et la capacité de multiplexage et en mesurer le bruit. Les chapitres suivants présentent un nouveau protocole, proposé dans notre groupe durant cette thèse, et baptisé ROSE (Revival Of Silenced Echo). Ce protocole, très proche de l écho de photon, a été démontré et caractérisé expérimentalement. Il semble très prometteur en termes d efficacité, de bande passante et de bruit.
La réalisation d une mémoire quantique pour la lumière met en jeu les aspects les plus fondamentaux de l interaction matière-rayonnement. Pour capturer l information quantique portée par la lumière, le matériau doit être capable de se maintenir dans un état de superposition quantique. Le temps de stockage est limité par la durée de vie de cet état, caractérisée par le temps de cohérence. Les premières expériences ont été réalisées dans des vapeurs atomiques froides, bien connues. Plus récemment, les ions de terres rares en matrice cristalline (REIC) ont attiré l attention par leurs long temps de cohérence, associés à de larges bandes passantes d interaction. Pour exploiter ces bonnes propriétés, des protocoles spécifiques ont été proposés. Nous nous sommes tournés vers un dérivé prometteur de l écho de photon, le Peigne Atomique de Fréquences (AFC, proposé en 2008), fondé sur la transmission du champ incident à travers un profil d absorption spectralement périodique. Les premiers chapitres de ce manuscrit présentent ce protocole et les travaux effectués durant cette thèse pour en améliorer l efficacité (i.e. la probabilité de capter et de restituer l information incidente), en augmenter la bande passante et la capacité de multiplexage et en mesurer le bruit. Les chapitres suivants présentent un nouveau protocole, proposé dans notre groupe durant cette thèse, et baptisé ROSE (Revival Of Silenced Echo). Ce protocole, très proche de l écho de photon, a été démontré et caractérisé expérimentalement. Il semble très prometteur en termes d efficacité, de bande passante et de bruit.
La réalisation d’une mémoire quantique pour la lumière met en jeu les aspects les plus fondamentaux de l’interaction matière-rayonnement. Pour capturer l’information quantique portée par la lumière, le matériau doit être capable de se maintenir dans un état de superposition quantique. Le temps de stockage est limité par la durée de vie de cet état, caractérisée par le temps de cohérence. Les premières expériences ont été réalisées dans des vapeurs atomiques froides, bien connues. Plus récemment, les ions de terres rares en matrice cristalline (REIC) ont attiré l’attention par leurs long temps de cohérence, associés à de larges bandes passantes d’interaction. Pour exploiter ces bonnes propriétés, des protocoles spécifiques ont été proposés. Nous nous sommes tournés vers un dérivé prometteur de l’écho de photon, le Peigne Atomique de Fréquences (AFC, proposé en 2008), fondé sur la transmission du champ incident à travers un profil d’absorption spectralement périodique. Les premiers chapitres de ce manuscrit présentent ce protocole et les travaux effectués durant cette thèse pour en améliorer l’efficacité (i.e. la probabilité de capter et de restituer l’information incidente), en augmenter la bande passante et la capacité de multiplexage et en mesurer le bruit. Les chapitres suivants présentent un nouveau protocole, proposé dans notre groupe durant cette thèse, et baptisé ROSE (Revival Of Silenced Echo). Ce protocole, très proche de l’écho de photon, a été démontré et caractérisé expérimentalement. Il semble très prometteur en termes d’efficacité, de bande passante et de bruit.
Mémoire optique dans un cristal dopé erbium : efficacité, bande passante et analyse du bruit pour les applications de mémoire quantique Le traitement quantique de l’information comme moyen de surmonter les limites de l’électronique classique a connu un développement rapide dans les deux dernières décennies. Plusieurs composants pour générer, traiter et envoyer l’information quantique sont nécessaires. Dans ce contexte, les mémoires quantiques optiques apparaissent comme des composantes principales capables de communiquer l’information quantique sur de longues distances en surmontant les pertes des fibres optiques dans un schéma de répéteur quantique. Durant la dernière décennie, plusieurs protocoles de stockage pour stocker l’information quantique ont été proposés et testés. Dans cette thèse, je présente le protocole Revival of Silenced Echo (ROSE) et sa réalisation dans un cristal Er3+:Y2SiO5. Ce matériau est un bon candidat pour une mémoire quantique grâce à sa transition dans la bande C des télécommunications où les pertes dans les fibres optiques sont minimales. Dans ce travail, j’évalue les performances du ROSE avec des impulsions faibles classiques. Je mesure l’efficacité, la bande passante et le temps de stockage qui sont des figures de mérite typiques d’une mémoire quantique optique. Pour une bande passante fixe, je démontre expérimentalement une bonne efficacité. En outre, je mesure la dépendance de la bande passante du protocole. Pour cette dernière les interactions dipôle-dipôle entre les ions d’erbium apparaît comme un facteur limitant. Enfin, je réalise le protocole ROSE avec quelques photons par impulsion afin d’évaluer son potentiel comme mémoire quantique. Je démontre une bonne efficacité avec un rapport signal sur bruit modéré. Je termine ce travail par une série de mesures dans des matériaux nouveaux (co-dopé ou dopé avec de l’erbium), pour augmenter la bande-passante de traitement d’échantillons dopés Er compatible avec les longueurs d’onde des télécommunications.
Le traitement quantique de l’information comme moyen de surmonter les limites de l’électronique classique a connu un développement rapide dans les deux dernières décennies. Plusieurs composants pour générer, traiter et envoyer l’information quantique sont nécessaires. Dans ce contexte, les mémoires quantiques optiques apparaissent comme des composantes principales capables de communiquer l’information quantique sur de longues distances en surmontant les pertes des fibres optiques dans un schéma de répéteur quantique. Durant la dernière décennie, plusieurs protocoles de stockage pour stocker l’information quantique ont été proposés et testés. Dans cette thèse, je présente le protocole Revival of Silenced Echo (ROSE) et sa réalisation dans un cristal Er3+:Y2SiO5. Ce matériau est un bon candidat pour une mémoire quantique grâce à sa transition dans la bande C des télécommunications où les pertes dans les fibres optiques sont minimales. Dans ce travail, j’évalue les performances du ROSE avec des impulsions faibles classiques. Je mesure l’efficacité, la bande passante et le temps de stockage qui sont des figures de mérite typiques d’une mémoire quantique optique. Pour une bande passante fixe, je démontre expérimentalement une bonne efficacité. En outre, je mesure la dépendance de la bande passante du protocole. Pour cette dernière les interactions dipôle-dipôle entre les ions d’erbium apparaît comme un facteur limitant. Enfin, je réalise le protocole ROSE avec quelques photons par impulsion afin d’évaluer son potentiel comme mémoire quantique. Je démontre une bonne efficacité avec un rapport signal sur bruit modéré. Je termine ce travail par une série de mesures dans des matériaux nouveaux (co-dopé ou dopé avec de l’erbium), pour augmenter la bande-passante de traitement d’échantillons dopés Er compatible avec les longueurs d’onde des télécommunications.
L'objet de ce travail de thèse est d'étudier un cas particulier de l'interaction lumière-matière dans le cadre du stockage d'information quantique. Nous nous sommes intéressés aux processus appelés transitoires optiques cohérents, et plus précisément à l'écho de photon à deux impulsions. Ce processus est observé dans des cristaux dopés aux ions lanthanides, tel que le Tm3+:YAG. Une fois éclairé par une impulsion faible (le signal à stocker) puis par une impulsion plus intense (servant à la remise en phase des dipôles induits), ce milieu atomique, essentiellement un système à deux niveaux avec une transition large, réemet une troisième impulsion, qui est l'"écho" temporel de la première (chapitre 1). Nous avons observé de tels échos expérimentalement, et ce pour des impulsions de signal faibles. Néanmoins, des effets délétères, dûs à l'impulsion de rephasage et à sa propagation, nous ont permis de conclure sur l'impossibilité d'utiliser ce processus tel quel en tant que protocole de mémoire quantique (chapitre 2). Le troisième chapitre a pour objet l'état des lieux des diverses méthodes dérivées de l'écho de photon à deux impulsions. Notamment, nous examinons la capacité théorique des échos Stark à restituer une éventuelle information quantique. Bien que prometteuse, nous lui avons préféré un autre processus, basé sur la structuration de l'absorption du système en peigne de fréquences atomiques (AFC en anglais). Son étude théorique consistitue la fin du chapitre 3. Le dernier chapitre (4) s'attache à résumer les expériences que nous avons réalisées sur le protocole AFC. Elles ont permis d'observer des échos AFC avec une efficacité proche de 10%. Elles ont également permis de dégager des axes de recherche pour améliorer le protocole, comme l'AFC large- bande, ou en régime de comptage de photons.
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.
Les ions de terres rares en matrice cristalline, refroidis à très basse température, offrent des propriétés remarquables pour le traitement analogique du signal sur porteuse optique. L’élargissement inhomogène du spectre d’absorption peut en effet atteindre plusieurs centaines de gigahertz alors que la largeur homogène des raies d’absorption des ions individuels ne dépasse pas quelques kilohertz. Par pompage optique il est alors possible de modifier à volonté le profil du spectre d’absorption. On dispose ainsi d’un filtre programmable présentant à la fois une très grande bande passante, donnée par la largeur inhomogène, et une excellente résolution, fixée par la largeur homogène. Une raie d’absorption étroite correspond à un état de superposition quantique de longue durée de vie. C’est sous cet angle, celui des transitoires cohérents, et spécifiquement celui des échos de photons que nous abordons les propriétés du filtre programmable. Dans la première partie de la thèse, le filtre est programmé comme un élément dispersif. Il permet d’atteindre des taux de dispersion inaccessibles aux dispositifs optiques conventionnels, tels que les fibres optiques. Nous l’utilisons comme un composant de lentille temporelle, en vue de produire des signaux de forme arbitraire. Par rapport à des dispositifs d’optique conventionnels, on gagne plusieurs ordres de grandeurs en termes de produit temps x bande passante. Après avoir exploité l’écho de photon dans un contexte de filtrage linéaire, nous tirons parti de ses propriétés de très forte non-linéarité dans la seconde partie de la thèse. Cette fois nous cherchons à capturer un signal lumineux de très faible intensité, à le convertir en état de superposition atomique, puis à le restituer dans son état lumineux initial. Cela suppose en particulier d’empêcher les effets d’émission spontanée ou stimulé qui nuisent à la fidélité de la restitution. Pour ce faire, nous proposons un nouveau protocole que nous avons appelé « Revival Of Silenced Echo » (ROSE)