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IRCOQ, 2 novembre 2006 mémoire quantique dans un solide Jean-Louis Le Gouët Laboratoire Aimé Cotton Orsay Kamel Bencheikh Laboratoire Photonique et Nanostructures.

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1 IRCOQ, 2 novembre 2006 mémoire quantique dans un solide Jean-Louis Le Gouët Laboratoire Aimé Cotton Orsay Kamel Bencheikh Laboratoire Photonique et Nanostructures Marcoussis

2 IRCOQ, 2 novembre 2006 mémoire quantique dans un solide principe et conditions de fonctionnement d’une mémoire de type EIT comparaison des paramètres des atomes froids et des ions de terres rares en matrice cristalline exemples d’EIT dans les ions de terres rares en matrice cristalline et dans les puits quantiques semiconducteurs architectures d’écho

3 IRCOQ, 2 novembre 2006 mémoire quantique dans un solide Que faire - pour restituer « à la demande » la lumière enregistrée? - pour que l’ensemble d’atomes soit opaque à l’entrée et transparent à la sortie?

4 IRCOQ, 2 novembre 2006 transparence induite par un champ de contrôle (EIT) transmission 0 1

5 IRCOQ, 2 novembre 2006 transparence induite par un champ de contrôle (EIT) transmission 0 1 ouverture d’une fenêtre de transparence

6 IRCOQ, 2 novembre 2006 transparence induite par un champ de contrôle (EIT) transmission 0 1 indice de réfraction n(  )

7 IRCOQ, 2 novembre 2006 transparence induite par un champ de contrôle (EIT) transmission 0 1 indice de réfraction n(  ) ralentissement de la lumière

8 IRCOQ, 2 novembre 2006 protocole EIT de stockage et de restitution (polariton noir)

9 IRCOQ, 2 novembre 2006 protocole EIT de stockage et de restitution (polariton noir)

10 IRCOQ, 2 novembre 2006 protocole EIT de stockage et de restitution (polariton noir)

11 IRCOQ, 2 novembre 2006 protocole EIT de stockage et de restitution (polariton noir)

12 IRCOQ, 2 novembre 2006 protocole EIT de stockage et de restitution (polariton noir)

13 IRCOQ, 2 novembre 2006 protocole EIT de stockage et de restitution (polariton noir)

14 IRCOQ, 2 novembre 2006 protocole EIT de stockage et de restitution (polariton noir)

15 IRCOQ, 2 novembre 2006 protocole EIT de stockage et de restitution (polariton noir)

16 IRCOQ, 2 novembre 2006 protocole EIT de stockage et de restitution (polariton noir)

17 IRCOQ, 2 novembre 2006 protocole EIT de stockage et de restitution (polariton noir) état de lumière enregistré sous forme de cohérence Raman

18 IRCOQ, 2 novembre 2006 protocole EIT de stockage et de restitution (polariton noir)

19 IRCOQ, 2 novembre 2006 protocole EIT de stockage et de restitution (polariton noir)

20 IRCOQ, 2 novembre 2006 protocole EIT de stockage et de restitution (polariton noir)

21 IRCOQ, 2 novembre 2006 protocole EIT de stockage et de restitution (polariton noir)

22 IRCOQ, 2 novembre 2006 protocole EIT de stockage et de restitution (polariton noir)

23 IRCOQ, 2 novembre 2006 protocole EIT de stockage et de restitution (polariton noir)

24 IRCOQ, 2 novembre 2006 protocole EIT de stockage et de restitution (polariton noir)

25 IRCOQ, 2 novembre 2006 Les conditions de stockage EIT hypothèses: pas d’ élargissement inhomogène largeur homogène = largeur naturelle

26 IRCOQ, 2 novembre 2006 Les conditions de stockage EIT 1.bande passante du signal < largeur de la raie d’absorption 2.bande passante du signal < largeur de la fenêtre de transparence. 3.ralentissement de la lumière: v groupe <

27 IRCOQ, 2 novembre 2006 Les conditions de stockage EIT 1.bande passante du signal < largeur de la raie d’absorption 2.bande passante du signal < largeur de la fenêtre de transparence. 3.ralentissement de la lumière: v groupe <

28 IRCOQ, 2 novembre 2006 Les conditions de stockage EIT 1.bande passante du signal < largeur de la raie d’absorption 2.bande passante du signal < largeur de la fenêtre de transparence. 3.ralentissement de la lumière: v groupe <

29 IRCOQ, 2 novembre 2006 Les conditions de stockage EIT 1.bande passante du signal < largeur de la raie d’absorption 2.bande passante du signal < largeur de la fenêtre de transparence. 3.ralentissement de la lumière: v groupe <

30 IRCOQ, 2 novembre 2006 Les conditions de stockage EIT 2.bande passante du signal < largeur de la fenêtre de transparence

31 IRCOQ, 2 novembre 2006 Les conditions de stockage EIT 1.bande passante du signal < largeur de la raie d’absorption 2.bande passante du signal < largeur de la fenêtre de transparence. 3.ralentissement de la lumière: v groupe <

32 IRCOQ, 2 novembre 2006 Les conditions de stockage EIT 3.ralentissement de la lumière: v groupe <

33 IRCOQ, 2 novembre 2006 Les conditions de stockage EIT 3.ralentissement de la lumière: v groupe <

34 IRCOQ, 2 novembre 2006 Les conditions de stockage EIT la largeur de la fenêtre de transparence diminue avec la vitesse de groupe 3.ralentissement de la lumière: v groupe <

35 IRCOQ, 2 novembre 2006 Les conditions de stockage EIT 1.bande passante du signal < largeur de la raie d’absorption 2.bande passante du signal < largeur de la fenêtre de transparence. 3.ralentissement de la lumière: v groupe <

36 IRCOQ, 2 novembre 2006 Les conditions de stockage EIT 4.l’impulsion ralentie doit tenir tout entière dans le matériau mémoire

37 IRCOQ, 2 novembre 2006 Les conditions de stockage EIT condition sur la fenêtre de transparence temps  bande passante + condition sur la longueur du milieu opacité

38 IRCOQ, 2 novembre 2006 Atomes froids et cristaux dopés en ions de terres rares Terres raresAtomes froids mouvement des atomes01cm/s durée de vie des cohérences Raman >100µs>1ms durée de vie des niveaux supérieurs 500µs-10ms10-100ns largeur homogène/durée de vie cohérence optique < 10kHz >100µs 10MHz-1GHz 1-100ns élargissement inhomogène des transitions optiques >1GHz0 élargissement inhomogène des transitions Raman inhomogénéité du champ cristallin 0

39 IRCOQ, 2 novembre 2006 utiliser l’élargissement inhomogène: les phénomènes d’écho phase de la cohérence atomique écho de photon temps

40 IRCOQ, 2 novembre 2006 utiliser l’élargissement inhomogène: les phénomènes d’écho phase de la cohérence atomique écho de photon temps signal à enregistrer

41 IRCOQ, 2 novembre 2006 utiliser l’élargissement inhomogène: les phénomènes d’écho phase de la cohérence atomique écho de photon temps signal à enregistrer stockage

42 IRCOQ, 2 novembre 2006 utiliser l’élargissement inhomogène: les phénomènes d’écho phase de la cohérence atomique écho de photon temps signal à enregistrer stockage lecture déclenchée

43 IRCOQ, 2 novembre 2006 utiliser l’élargissement inhomogène: les phénomènes d’écho phase de la cohérence atomique écho de photon temps signal à enregistrer stockage lecture déclenchée restitution

44 IRCOQ, 2 novembre 2006 utiliser l’élargissement inhomogène: les phénomènes d’écho écho de photon signal à enregistrer stockage lecture déclenchée restitution application connue au stockage d’information classique bande passante limitée par la largeur inhomogène temps de mémoire fixé par la durée de vie des cohérence (écho à deux impulsions) ou la durée de vie des populations (écho stimulé).

45 IRCOQ, 2 novembre 2006 utiliser l’élargissement inhomogène: les phénomènes d’écho écho de photon signal à enregistrer stockage lecture déclenchée restitution pas de « fenêtre de transparence » contrôlable restitution incomplète à cause de l’absorption du signal

46 IRCOQ, 2 novembre 2006 Inversion du déphasage inhomogène par un champ électrique externe Fréquence de résonance atomique absorption élargissement inhomogène Wolfgang Tittel Mikael Afzelius Nicolas Gisin (GAP Genève) Controlled Reversible Inhomogeneous Broadening (CRIB)

47 IRCOQ, 2 novembre 2006 Inversion du déphasage inhomogène par un champ électrique externe Fréquence de résonance atomique absorption élargissement inhomogène

48 IRCOQ, 2 novembre 2006 Inversion du déphasage inhomogène par un champ électrique externe Fréquence de résonance atomique absorption sélection d’un groupe d’atomes mono-fréquence

49 IRCOQ, 2 novembre 2006 Inversion du déphasage inhomogène par un champ électrique externe Fréquence de résonance atomique absorption

50 IRCOQ, 2 novembre 2006 Inversion du déphasage inhomogène par un champ électrique externe Fréquence de résonance atomique absorption étalement de la distribution de fréquence par effet Stark linéaire sous l’action d’un champ électrique externe E ++ -- 00

51 IRCOQ, 2 novembre 2006 Inversion du déphasage inhomogène par un champ électrique externe Fréquence de résonance atomique absorption enregistrement du signal E ++ -- 00

52 IRCOQ, 2 novembre 2006 Inversion du déphasage inhomogène par un champ électrique externe Fréquence de résonance atomique absorption évolution libre des cohérences: déphasage E ++ -- 00

53 IRCOQ, 2 novembre 2006 Inversion du déphasage inhomogène par un champ électrique externe Fréquence de résonance atomique absorption au bout d’un temps  : déclenchement de la lecture par retournement du champ E -- ++ 00

54 IRCOQ, 2 novembre 2006 Inversion du déphasage inhomogène par un champ électrique externe Fréquence de résonance atomique absorption E -- ++ 00 évolution libre des cohérences: remise en phase

55 IRCOQ, 2 novembre 2006 Inversion du déphasage inhomogène par un champ électrique externe Fréquence de résonance atomique absorption au bout d’un temps 2  : restitution du signal E -- ++ 00

56 IRCOQ, 2 novembre 2006

57 Chronogramme du CRIB opacité 54%  L=2

58 IRCOQ, 2 novembre 2006 Inversion du déphasage inhomogène par un champ électrique externe Fréquence de résonance atomique absorption   durée de vie de la mémoire: 1/  bande passante:   opacité:

59 IRCOQ, 2 novembre 2006 Atouts et faiblesses du CRIB Pas d’autre excitation lumineuse que le signal à enregistrer: le champ électrique appliqué n’est pas couplé à la transition optique Le champ électrique de contrôle n’est pas absorbé: tous les atomes voient le même champ Mais: –sélectionner un groupe d’ions monofréquence contredit l’objectif visé, qui est de tirer parti de la distribution inhomogène –cela se traduit par une réduction dramatique de l’opacité: pour une bande passante de 1GHz et un temps de mémoire de 10µs, l’opacité est réduite d’un facteur 10 4

60 IRCOQ, 2 novembre 2006 Variante: utiliser la cohérence Raman pour allonger le temps de stockage signal à enregistrer lecture déclenchée restitution EE

61 IRCOQ, 2 novembre 2006 Variante: utiliser la cohérence Raman pour allonger le temps de stockage restitution E signal à enregistrer conversion en cohérence Raman E lecture déclenchée     stockage

62 IRCOQ, 2 novembre 2006 Variante: utiliser la cohérence Raman pour allonger le temps de stockage restitution E signal à enregistrer conversion en cohérence Raman E lecture déclenchée   ,2,31,2,3 4 la largeur du groupe spectral sélectionné ne limite plus le temps de stockage stockage

63 IRCOQ, 2 novembre 2006 Variante: utiliser la cohérence Raman pour allonger le temps de stockage restitution E signal à enregistrer conversion en cohérence Raman E lecture déclenchée  stockage  ,21,2 avec retournement spatial, le signal pourrait être intégralement restitué 4 3

64 IRCOQ, 2 novembre 2006 Chronogramme du CRIB avec retournement spatial opacité

65 IRCOQ, 2 novembre 2006 Conclusion EIT: opérationnelle dans les ions de terres rares en matrice mais faible bande passante CRIB: meilleure bande passante, séparation temporelle des champs « signal » et « contrôle » mais très exigeant en densité optique. Une cavité de faible finesse (largeur du profil de transmission > bande passante) augmenterait la densité optique effective. Un système que nous avons peut-être ignoré à tort: centres NV du diamant + cavité: concentration faible mais force d’oscillateur élevée Quel type d’information quantique veut-on stocker?

66 IRCOQ, 2 novembre 2006 Stockage d’une corrélation de type « time bin » Mach Zehnder asym é trique laser puls é  cristal non-lin é aire D1D1 D2D2 D1D1 D2D2

67 IRCOQ, 2 novembre 2006 Stockage d’une corrélation de type « time bin » Mach Zehnder asym é trique laser puls é  cristal non-lin é aire D1D1 D2D2 D1D1 D2D2 m é moire


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