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.
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.
Parce qu'il permet une interaction lumière-matière forte, contrôlable, et cohérente, le phénomène de transparence induite électromagnétiquement (EIT) trouve aujourd'hui des applications dans un champ très large de la physique. Cependant, sur la raie D2 du 133Cs, la transparence expérimentalement mesurée est très faible en présence d'élargissement inhomogène. Nous menons donc une étude théorique qui prend en compte les multiples niveaux excités de la raie et précise leur influence sur l'EIT. Elle conclut à l'existence de classes de vitesses atomiques particulières, responsables de la diminution de la transparence. Nous proposons alors une méthode originale permettant de restaurer l'EIT en creusant localement la distribution de vitesses. L'augmentation ainsi prévue de la transparence est ensuite vérifiée expérimentalement. Deux expériences de mémoire par EIT sont ensuite présentées. Dans la première, deux quadratures orthogonales d'une bande latérale unique sont stockées dans une vapeur chaude de cesium, puis relues sans mesurer d'excès de bruit. Dans la seconde, le stockage d'un état cohérent en régime de photon unique est obtenu dans un nuage d'atomes froids. Afin de préparer le stockage de lumière non classique, l'asservissement de la mesure d'un état comprimé sur une quadrature fixe a été réalisé. Ce montage doit permettre de démontrer l'intrication déterministe de deux ensembles atomiques.
Ce travail de thèse est consacré à l'exploration de méthodes cohérentes pour la manipulation des états internes d'une nuage atomique. L'objectif final est de créer un schéma pour la réalisation d'une mémoire quantique capable de stocker l'état quantique d'une impulsion lumineuse dans une cohérence atomique. J'ai exploré deux différentes réalisations expérimentales, les deux basées sur la transparence induite électromagnétiquement dans un système à trois niveaux en configuration Lambda. La première réalisation est basée sur sous-niveaux Zeeman d'atomes de césium à température ambiante (réalisé dans le groupe de E. Giacobino au LKB, Paris) en s'appuyant sur la ligne D2. En présence d élargissement Doppler l'effet EIT est fortement réduite en raison de la présence de transitions adjacentes. Nous avons développé un modèle théorique pour décrire la réponse optique du système, comprenant les contributions des transitions hors résonance. Nous avons ensuite vérifié expérimentalement le modèle et trouvé une méthode pour améliorer la transparence optique basée sur un de-pompage sélectif en vitesse. La deuxième réalisation est basée sur les états hyperfins de atomes de rubidium ultra-froids piégés dans une micro-piège magnétique (réalisé dans le groupe de F.S. Cataliotti au LENS, Firenze). Dans cette expérience, nous avons observé une forte réduction (près de 6 ordres de grandeur) de la vitesse de la lumière dans l'ensemble atomique, une étape fondamentale vers la réalisation de stockage d'information cohérente. Nous avons développé également une méthode pour mesurer la phase relative entre deux impulsions de lumière en utilisant l'interférométrie atomique
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.
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.
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.
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.