Une memoire quantique ideale

Félix Hoffet

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.

Joe McEvoy, Oscar Sergio Zárate

Benjamin Pointard

L'objectif de ce travail de thèse est de mettre en œuvre une mémoire quantique de haute efficacité dans le cadre d’un protocole de génération d'états quantiques de la lumière, avec pour finalité une augmentation de plusieurs ordres de grandeur du taux de génération de ces états. Nous montrons comment une telle architecture peut être utilisée en pratique pour la génération d’états clés pour l’optique quantique, tels que les états "chats de Schrödinger optiques" (superposition quantique d’états cohérents de phases opposées) qui sont une brique de base pour de nombreux protocoles dans le domaine de l’information quantique. Nous réalisons cette mémoire à l’aide d’une cavité optique de haut facteur de qualité, un dispositif actif permettant d’insérer et d’extraire une impulsion lumineuse à la demande, et nous l’alimentons avec des photons uniques issus d’une source rapide en cavité optique synchronisée. La mise en œuvre d’une telle mémoire nécessite une connaissance complète des paramètres physiques, et notamment de la phase des états quantiques, menant à la mise en place d’outils de diagnostics précis. Il s’agit là d’un premier pas vers la manipulation en temps réel d’états encodés sur la lumière en espace libre.

Joe McEvoy, Oscar Sergio Zárate

Joe McEvoy, Oscar Zarate

A. Nicolas

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.