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.
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.
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.
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
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.
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
Afin d'implementer des protocoles de communications quantiques, comme cryptographie quantique par exemple, sur des distances superieures a la centaine de kilometres a l'aide de fibres optiques, il est necessaire de developper de nouveaux outils : les repeteurs quantiques. Le principe de fonctionnement de ceux-ci repose sur l'existence de memoires quantiques capable de stocker l'etat de la lumiere et de le reemettre a la demande. L'objectif de cette these est la realisation d'une memoire quantique dans un ensemble d'atomes froids de cesium a l'aide d'un protocole de transparence electromagnetiquement induite (EIT). La premiere etape de ce travail a ete la realisation d'un piege magneto-optique permettant de generer un nuage d'atomes froid de cesium presentant une forte epaisseur optique. La seconde a ete l'etude de la transparence du milieu. Ainsi, dans un systeme energetique en Λ, l'application d'un champ de controle sur la transition adjacente a celle du champ signal permet d'ouvrir une fenetre de transparence. Deux phenomenes peuvent expliquer cette observation : l'EIT qui correspond a des interferences destructives entre les chemins d'excitation et la separation Autler-Townes (ATS) qui implique la separation du niveau excite en deux niveaux habilles. Une etude detaille et quantitative des deux phenomenes a ete realisee. La derniere etape a ete la demonstration du stockage d'un etat coherent en regime de photons uniques avec une efficacite de 24% ainsi que les premiers resultats du stockage d'un bit d'information quantique encode dans le moment orbital angulaire de la lumiere.