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Manipulation cohérente et Information quantique
Permanents : Fabien Bretenaker, Thierry Chanelière, Fabienne Goldfarb, Jean-Louis Le Gouët, Ivan Lorgeré
Thésitifs : Anne Louchet, Thu-Hien MY
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Plusieurs groupes ont montré expérimentalement que de l’information quantique portée par la lumière peut être transférée, sous forme d’excitation collective, à des systèmes macroscopiques constitués d’un grand nombre d’atomes. Ces expériences ont utilisé comme matériau mémoire des vapeurs, des jets atomiques ou des nuages refroidis par laser. Nous nous proposons de remplacer ces systèmes par des ions de terre rare en matrice cristalline (REIC), qui présentent des propriétés voisines de celles d’un nuage d’atomes froids, tout en offrant en principe des conditions de mise en œuvre plus favorables. La plupart des architectures proposées pour réaliser une mémoire quantique reposent sur des systèmes atomiques à trois niveaux « en » où deux transitions optiques, issues de deux sous-niveaux du fondamental, partagent un niveau supérieur commun. Les nombreuses propriétés du système en sont explorées depuis une trentaine d’années. Elles vont du piégeage cohérent de population (CPT) à la transparence induite électromagnétiquement (EIT) en passant par le transfert Raman stimulé (STIRAP). L’opération qui nous importe ici consiste à convertir un signal lumineux, porteur d’information quantique, en cohérence atomique de longue durée de vie, puis à effectuer la conversion inverse pour restaurer le signal initial. Le processus peut être décrit simplement de la façon suivante : le signal à enregistrer excite à résonance l’une des transitions du . Il donne ainsi naissance à un état de superposition de courte durée de vie, qu’un champ de contrôle, excitant l’autre transition, convertit en état de superposition de longue durée de vie entre les deux sous-niveaux du fondamental. On élimine en particulier ainsi la décohérence par émission spontanée. Pour restituer l’information enregistrée on applique à nouveau le champ de contrôle qui reconstruit une cohérence optique à partir de l’état de superposition, ou cohérence Raman, du fondamental. Le projet apparaît très exigeant sur le plan expérimental. Il nous faut d’abord apprendre à mieux contrôler les mécanismes d’excitation optique cohérente nécessaires à la préparation des systèmes atomiques. Les premières expériences se déroulent dans un cristal de Tm3+ :YAG. Avec Frédéric de SEZE, qui a soutenu sa thèse en juillet 2005, nous avons éprouvé les limites d’un laser non-asservi [Opt. Commun. 223 (2003) 321-330]. Vincent CROZATIER a alors construit, dans le cadre de sa thèse, un laser semi-conducteur ultra-stable adapté à l’excitation cohérente du système sur des durées comparables au temps de cohérence atomique [Opt. Commun. 241 (2004) 203-213]. Cette source s’est révélée indispensable pour l’expérience suivante où, en utilisant des impulsions de type sécante hyperbolique complexe nous avons pour la première fois effectué un transfert de population spectralement sélectif avec une efficacité supérieure à 95%. [Eur. Phys. J. D, 33 (2005) 343]. Cependant, l’ion Tm3+, dépourvu de structure hyperfine, ne possède pas naturellement de système à trois niveaux en à la différence des ions Eu3+ et Pr3+. En revanche les transitions à 580nm et 606nm de ces derniers ions ne sont accessibles qu’au seul laser à colorant, dont la stabilisation en dessous du kHz exigerait un effort considérable et peu gratifiant. Il nous est apparu plus simple de construire un système en dans Tm3+ en appliquant un champ magnétique convenablement orienté par rapport aux axes cristallins. La caractérisation et l’optimisation de ce système fait l’objet d’une collaboration féconde avec nos collègues de l’ENSCP (O. Guillot-Noël et Ph. Goldner) [Phys. Rev. B 71 174409 (2005), Phys. Rev. B 73, 085112 (2006)]. Les cristaux dopés Erbium ne sont en général pas considérés pour le traitement de l’information quantique. Une des raisons est que l’ion erbium ne dispose pas, de structure hyperfine. Cependant l’isotope 167Er3+ possède une structure hyperfine. Celle-ci est complexe (I=7/2). Nous collaborons avec nos collègues, K. Bencheikh, du laboratoire Photonique et Nanostructure, O. Guillot Noël et P. Goldner, de l’ENSCP, pour comprendre les propriétés de cet isotope. Par ailleurs, en quête de matériaux alternatifs susceptibles de jouer le rôle de mémoire quantique, nous nous intéressons aussi à l’hélium métastable 4He sous forme de gaz à température ambiante. Parce que le triplet métastable 3S1 doit sa polarisation au seul spin électronique, son moment angulaire présente la particularité exceptionnelle d’être insensible aux collisions. Le système en formé par le niveau 2P et le métastable est donc facilement confiné par collisions dans le faisceau lumineux pendant la durée de vie de la cohérence de spin. Cette activité s’inscrit dans le cadre du Plan Pluriformation de l’Université : « Systèmes quantiques : contrôle, cohérence et information ». Elle est soutenue par la communauté européenne au titre des Future Emerging Technologies du programme Information Society Technologies . L’équipe du LAC y est associée à Stefan KRÖLL, de l’Université de Lund, et Klaus MÖLMER, de l’Université d’Aarhus. Sur la même thématique générale, l’équipe du LAC est impliquée dans le projet ANR IRCOQ, monté en collaboration avec les groupes d’Elizabeth GIACOBINO et Claude FABRE au LKB, de Philippe GRANGIER à l’Institut d’Optique et d’Ariel LEVENSON au LPN.
Publications récentes
O. Guillot-Noël, Ph. Goldner, E. Antic-Fidancev, A. Louchet, J.-L. Le Gouët, F. Bretenaker et I. Lorgeré, “Quantum storage in rare-earth doped crystals for secure networks,” Journal of Luminescence 122-123, 526-528 (2007).
A. Louchet, J. S. Habib, V. Crozatier, I. Lorgeré, F. Goldfarb, F. Bretenaker, J.-L. Le Gouët, O. Guillot-Noël et Ph. Goldner, “Branching ratio measurement of a “Lambda” system in Tm3+:YAG under magnetic field,” Physical Review B 75, (...)
