Optimisation de la programmation d’un cristal dopé aux ions de terres rares, opérant comme processeur analogique d’analyse spectrale RF, ou de stockage d’information quantique
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.
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.
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.
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.
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.
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)