Soutenance de thèse

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Soutenance de thèse

  1. 1. Vers une mémoire quantique pour la lumière non-classique avec des atomes froids<br />Sidney Burks<br />13 Octobre, 2010<br />Directrice de thèse: Elisabeth Giacobino<br />Codirecteur de thèse: Julien Laurat<br />Equipe Optique Quantique<br />Laboratoire Kastler-Brossel<br />Université Pierre et Marie Curie, Paris<br />1<br />
  2. 2. Plan: Vers une mémoire quantique<br />Perspectives<br />Mémoire quantique<br />2<br />
  3. 3. Des bits classiques aux bits quantiques<br />L’information classique est fondée sur le bit<br />Valeurs discrètes de 1 ou 0<br />Bits photoniques<br />L’information quantique introduit le qubit<br />Superposition d’états<br />3<br />
  4. 4. Une mémoire quantique<br />Desideratum : Stockage sans mesure, relecture à la demande<br /> i.e. un transfert cohérent et réversible entre la lumière et la matière. <br />Stratégie générale: Transférer la superposition quantique de la lumière à une superposition des états dans le milieu de stockage<br />Qubit photonique<br />4<br />
  5. 5. Une mémoire quantique<br />Desideratum : Stockage sans mesure, relecture à la demande<br /> i.e. un transfert cohérent et réversible entre la lumière et la matière. <br />Stratégie générale: Transférer la superposition quantique de la lumière à une superposition des états dans le milieu de stockage<br />Les états |a> et |b> sont typiquement des états fondamentaux pour éviter une décohérence rapide<br />Recette générale: Deux états fondamentaux connecté via un état excité par un champ de contrôle<br />Qubit photonique<br />5<br />
  6. 6. Un revue des mémoires quantiques<br />Atome Unique<br />Electrodynamique quantique en cavité (couplage forte)<br />EIT « Dynamique »<br />expériences LKB<br />Ensemble atomiques : Collective Exc.<br />Rephasingprotocols<br />- CRIB and AFC - <br />Ions de terre rare dans des solides à température cryogénique<br />Temps de vie <br />long<br />6<br />
  7. 7. Applications des mémoires quantiques<br /><ul><li>La plupart des sources de photons sont probabilistes
  8. 8. On sait créer des photons jumeaux</li></ul>7<br />
  9. 9. Applications des mémoires quantiques<br /><ul><li>La plupart des sources de photons sont probabilistes
  10. 10. On sait créer des photons jumeaux
  11. 11. Mémoire chargée avec un photon</li></ul>8<br />
  12. 12. Applications des mémoires quantiques<br />« Photon Gun » déterministe<br />9<br />
  13. 13. Synchronisation de l’émission des photons<br />Interférence de deux photons<br />10<br />
  14. 14. Synchronisation de l’émission des photons<br />Interférence de deux photons<br />Portes quantiques<br />11<br />
  15. 15. Réseaux quantiques<br />Distribution d’intrication dans un réseau<br />Propagation de l’intrication dans les systèmes quantiques complexes<br />Simulation de phénomènes collectifs<br />H.J. Kimble, The Quantum Internet, Nature 453, 1023 (2008)<br />12<br />
  16. 16. 13<br />Communications quantiques à longue distance<br />Etats quantiques sont fragiles<br />Impossibilité de cloner des états arbitraire<br />Pas de amplification<br />
  17. 17. Communications quantiques à longue distance<br />100 km, fibre télécom: 99.5 % pertes<br />Pour 1000 km, et avec une source des qubits à 10GHz, il faudrait 300000 ans pour transmettre 1 qubit<br />Temps de connexion décroit exponentiellement avec la distance<br />14<br />
  18. 18. Communications quantiques à longue distance<br />100 km, fibre télécom: 99.5 % pertes<br />Pour 1000 km, et avec une source des qubits à 10GHz, il faudrait 300000 ans pour transmettre 1 qubit<br />Temps de connexion décroit exponentiellement avec la distance<br />Répéteurs quantiques<br />15<br />
  19. 19. Diviser en segments et générer l’intrication<br />.<br />.<br />.<br />.<br />.<br />.<br />L0<br />L0<br />L0<br />L<br />.<br />.<br />.<br />.<br />.<br />.<br />2) Connexion de l’intrication<br />.<br />.<br />.<br />.<br />Répéteurs quantiques<br />Fidélité proche à 1 à longue distance, mais… temps augmente de façon exponentielle avec L<br />L’intrication des segments est probabiliste: chaque étape termine à un instant différent.<br />16<br />
  20. 20. Diviser en segments et générer l’intrication<br />.<br />.<br />.<br />.<br />.<br />.<br />L0<br />L0<br />L0<br />L<br />.<br />.<br />.<br />.<br />.<br />.<br />2) Connexion de l’intrication<br />.<br />.<br />.<br />.<br />Répéteurs quantiques<br />Fidélité proche à 1 à longue distance, mais… temps augmente de façon exponentielle avec L<br />L’intrication des nœuds est probabiliste: chaque étape termine à un instant différent.<br />« Scalability » : nécessite des mémoires quantiques, ce qui permet une préparation asynchrone du réseau<br />Mémoires quantiques<br />17<br />
  21. 21. Comment intriquer deux mémoires?<br />18<br />
  22. 22. Intrication Probabiliste: Protocole DLCZ<br />19<br />Création d’une excitation collective<br />Intrication des deux ensembles<br />Excitation collective<br />L.M. Duan et al., Nature 414, 413 (2001)<br />|e><br />field 1<br />write<br />|s><br />|g><br />Démonstration expérimentale du premier segment de répéteur quantique en 2007<br />
  23. 23. 20<br />Relecture<br />Stockage<br />Ecriture<br />reemission du champ quantique<br />Champ<br />quantique<br />Champ <br />contrôle<br />Intrication déterministe: photon unique et transparence induite électro-magnétiquement (EIT)<br />Mapping d’un photon unique délocalisé<br />K.S. Choi et al., “Mapping photonic entanglement into and out of a quantum memory”, Nature 452, 7183 (2008)<br />
  24. 24. Intrication en Variables Continues<br />Source déterministe de l’intrication<br />Utilise des porteurs avec des dégrées de libertés continus - quadratures de la lumière<br />Caractérisé par la détection homodyne<br />21<br />Etat cohérent<br />Etat comprimé<br />
  25. 25. Résultats actuels par EIT en variables continues<br />Retard d’un état comprimé<br />Stockage d’une bande latérale unique<br />Stockage sans excès de bruit<br />Etat cohérent<br />Stockage de vide comprimé<br />−0.16 ± 0.01 dB ~4% <br />−0.21 ± 0.04 dB<br />G. Hétet et al., Phys. Rev. A 74, 033809 (2005)<br />E. Figueroa et al., New J. Phys. 11, 013044 (2009) <br />LKB<br />J. Cviklinski et al., Phys. Rev. Lett. 101, 133601 (2008)<br />K. Honda et al., Phys. Rev. Lett. 100, 093601 (2008)<br />J. Appel et al., Phys. Rev. Lett. 100, 093602 (2008) <br />22<br />
  26. 26. Notre système de stockage d’intrication en variables continues<br />23<br />
  27. 27. Création de deux ensembles<br />24<br />
  28. 28. Plan: Vers une mémoire quantique<br />Mémoire Quantique<br />Source<br />Vide comprimé<br />Caractérisation<br />Interfaçage<br />Mémoire<br />25<br />
  29. 29. Plan: Vers une mémoire quantique<br />Mémoire Quantique<br />Source<br />Vide comprimé<br />Caractérisation<br />Interfaçage<br />Mémoire<br />26<br />
  30. 30. Génération du vide comprimé avec un OPO<br />Source de vide comprimé<br />Compatible avec une mémoire quantique utilisant des atomes de Césium<br />Oscillateur paramétrique optique (OPO)<br />27<br />
  31. 31. Utilisation de l’optique non-linéaire<br />Génération de seconde harmonique<br />Conversion paramétrique<br />Etat cohérent<br />Vide comprimé<br />28<br />
  32. 32. Schéma expérimental<br />29<br />
  33. 33. Schéma expérimental<br />30<br />
  34. 34. Génération de Seconde Harmonique<br />Cavité en anneau<br />Asservissement par Tilt Locking<br />Régulation de température<br />31<br />
  35. 35. Cavité de Doublage<br />Puissance de la seconde harmonique<br />32<br />
  36. 36. Cavité de Doublage<br />Puissance de la seconde harmonique<br />330 mW<br />330 mW de bleu<br />50% efficacité de conversion<br />33<br />
  37. 37. Schéma expérimental<br />34<br />
  38. 38. Cavité de l’OPO<br />Linéaire<br />Quadratique<br />35<br />Equilibre entre fort squeezing et stabilité expérimentale<br />
  39. 39. Cavité de l’OPO<br />Coupleur de sortie de T = 7%<br />Fonctionnement en dessous du seuil<br />Asservissement par Pound-Drever-Hall<br />Faisceau d’asservissement contra-propageant<br />36<br />
  40. 40. Faisceau d’asservissement<br />Photons parasites dans le vide comprimé<br />Diminution de la puissance de faisceau d’asservissement<br />Traitement antireflet<br />Switch actif<br />37<br />
  41. 41. Plan: Vers une mémoire quantique<br />Mémoire Quantique<br />Source<br />Vide comprimé<br />Caractérisation<br />Interfaçage<br />Mémoire<br />38<br />
  42. 42. Schéma expérimental<br />39<br />
  43. 43. Génération du vide comprimé<br />S. Burks et al., “Squeezed light at the D2 cesium line for atomic memories”, Opt. Express 17, 3777 (2008)<br />40<br />Fréquence d’analyse: 1MHz<br />
  44. 44. Génération du vide comprimé<br />S. Burks et al., “Squeezed light at the D2 cesium line for atomic memories”, Opt. Express 17, 3777 (2008)<br />41<br />Fréquence d’analyse: 1MHz<br /><ul><li>3 dB de squeezing </li></ul>(50% réduction du bruit quantique)<br />
  45. 45. Génération du vide comprimé<br />42<br />Comptabilité avec la mémoire?<br />
  46. 46. Génération du vide comprimé<br />Sera utilisé pour EIT en Césium<br />43<br />Comptabilité avec la mémoire?<br />Absorption<br />Dispersion<br />
  47. 47. Génération du vide comprimé<br />Sera utilisé pour EIT en Césium<br />Fréquence fixée par la région linéaire de la dispersion<br />44<br />Absorption<br />Dispersion<br />500 kHz<br />
  48. 48. Génération du vide comprimé<br />Squeezing à partir de 30 kHz<br />Compatibilité avec EIT qui est limitée en bande passante!<br />45<br />
  49. 49. Reconstruction de l’état<br />46<br />
  50. 50. Reconstruction de l’état<br />Des paires de photons pour le vide comprimé<br />Etat thermique mélangé avec le vide<br />Caractérisation complète de notre état<br />47<br />Fonction de Wigner pour -2 dB de squeezing<br />
  51. 51. Plan: Vers une mémoire quantique<br />Mémoire Quantique<br />Source<br />Vide comprimé<br />Caractérisation<br />Interfaçage<br />Mémoire<br />48<br />
  52. 52. Création des impulsions<br />Mode temporel adapté à la mémoire<br />Conversion d’une source continue en impulsions<br />Très difficile dû à la fragilité des états quantiques<br />49<br />
  53. 53. Impulsions par chopper optique<br />50<br />Suppression du bruit acoustique<br />Suppression des vibrations mécaniques<br />temps<br />
  54. 54. Impulsions par chopper optique<br />Largeur 1 µs<br />temps<br />Pertes optiques ~2%<br />Impulsions de 500 ns!<br />51<br />
  55. 55. Impulsions par AOM<br /><ul><li>Pertes optiques faibles: ~10%
  56. 56. Control précis sur le timing: 25 ns</li></ul>52<br />
  57. 57. Plan: Vers une mémoire quantique<br />Mémoire Quantique<br />Source<br />Mémoire<br />53<br />
  58. 58. Création de deux ensembles<br />54<br />
  59. 59. Eléments nécessaires<br />Atomes<br />Nuage « gros  » et dense<br />EIT<br />Lasers et transitions<br />Annulation du champ magnétique<br />Eviter la décohérence des niveaux fondamentaux<br />Timing et Synchronisation<br />55<br />
  60. 60. 56<br />
  61. 61. Chambre<br />57<br />
  62. 62. Chambre<br />MOT<br />58<br />
  63. 63. Chambre<br />MOT<br />Lasers<br />59<br />
  64. 64. Chambre<br />MOT<br />Lasers<br />Multiplexage<br />60<br />
  65. 65. Chambre<br />MOT<br />Lasers<br />Multiplexage<br />61<br />Comment caractériser le nuage?<br />
  66. 66. Mesure de densité optique<br />62<br />-10 MHz<br />
  67. 67. Mesure de Densité Optique<br />-10 MHz<br />Densité optique de 20<br />Efficacité de mémoire de 25%<br />63<br />Gorshkovet al., Phys. Rev. A 76, 033805 (2007)<br />
  68. 68. Eléments nécessaires<br />Atomes<br />Nuage « gros  » et dense<br />EIT<br />Lasers et transitions<br />Annulation du champ magnétique<br />Eviter la décohérence des niveaux fondamentaux<br />Timing et Synchronisation<br />64<br />
  69. 69. Asservissement de phase optique<br />Battement <br />optique<br />65<br />
  70. 70. 66<br />
  71. 71. Asservissement de phase<br />67<br /><ul><li>Stabilité de plusieurs heures
  72. 72. sub-Hz précision sur la fréquence</li></li></ul><li>Eléments nécessaires<br />Atomes<br />Nuage « gros  » et dense<br />EIT<br />Lasers et transitions<br />Annulation du champ magnétique<br />Eviter la décohérence des niveaux fondamentaux<br />Timing et Synchronisation<br />68<br />
  73. 73. Coupure du chambre magnétique<br />Champ des bobines du MOT<br />Champs résiduels<br />69<br />
  74. 74. Coupure du champ magnétique<br />~5 ms de nuage après coupure du champ<br />Champs sont difficile de couper rapidement<br />70<br />
  75. 75. Coupure du champ magnétique<br />~5 ms de nuage après coupure du champ<br />Champs sont difficile de couper rapidement<br />71<br />Constante de temps 300 µs<br />Le nuage reste dense!<br />
  76. 76. Spectroscopie Raman <br />Champ présent<br />Présence des champs parasites<br />Correction au mG en 3 dimensions<br />72<br />
  77. 77. Spectroscopie Raman <br />Champ présent<br />Correction au milliGauss en 3 dimensions<br />73<br />Temps de mémoire: 10-100 µs<br />
  78. 78. Eléments nécessaires<br />Atomes<br />Nuage « gros  » et dense<br />EIT<br />Lasers et transitions<br />Annulation du champ magnétique<br />Minimiser la décohérence<br />Timing et Synchronisation<br />74<br />
  79. 79. Timing des faisceaux mémoire <br />75<br />
  80. 80. Timing des faisceaux mémoire <br />Interface Simple<br />Développent rapide<br />Extensible<br />76<br />
  81. 81. Table optique mémoire<br />77<br />
  82. 82. Conclusion<br />Intrication des mémoires entre elles<br />78<br />
  83. 83. Conclusion<br />Intrication des mémoires entre elles<br />Génération du vide comprimé par l’OPO<br />Forte squeezing: -3 dB<br />Compatible avec l’EIT<br />Interfacé avec la mémoire<br />79<br />
  84. 84. Conclusion<br />Intrication des mémoires entre elles<br />Génération du vide comprimé par l’OPO<br />Forte squeezing<br />Compatible avec l’EIT<br />Interfacé avec la mémoire<br />Caractérisation des éléments de la mémoire<br />80<br />Création de deux ensembles<br />Temps de mémoire: 10-100 µs<br />Efficacité de mémoire de 25%<br />

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