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Sous la direction dElisabeth Giacobino 30/09/2009 Transparence induite électromagnétiquement et mémoire quantique dans une vapeur de césium COMPAS Jérémie.

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1 Sous la direction dElisabeth Giacobino 30/09/2009 Transparence induite électromagnétiquement et mémoire quantique dans une vapeur de césium COMPAS Jérémie Ortalo

2 Communications quantiques Réseaux de communications quantiques: nœuds quantiques et canaux quantiques Distribution détats intriqués: permet cryptographie ou téléportation Atténuation dans les fibres: ~100 km

3 Communications à grande distance AB L>> 100 km L0L0 BA L 0 << L Communication classique: on réamplifie le signal Impossible en communication quantique

4 Utilisation de répéteurs quantiques (1) Temps total: exponentiel avec L A0A0 A1A1 A2A2 ANAN A N-1 L0L0 L = N L 0 2 L 0 L0L0 échange dintrication L A3A3 L0L0 L0L0 Nécessite une réalisation synchrone de toutes les étapes

5 M Utilisation de répéteurs quantiques (2) Temps total: polynomial avec L A0A0 A1A1 A2A2 ANAN A N-1 L0L0 L = N L 0 2 L 0 L0L0 échange dintrication L A3A3 L0L0 L0L0 MMMM M M M MM M M Nécessité de mémoires quantiques pour la lumière Permet une réalisation asynchrone des différentes étapes

6 Plan de lexposé 1.Transfert réversible lumière - matière par transparence induite électromagnétiquement (EIT) 2.Stockage dun état cohérent par EIT dans une vapeur de césium 3.Etude expérimentale et théorique de lEIT sur la raie D 2 dune vapeur de césium 4.Source de vide comprimé à 852 nm

7 Plan de lexposé 1.Transfert réversible lumière - matière par transparence induite électromagnétiquement (EIT) 2.Stockage dun état cohérent par EIT dans une vapeur de césium 3.Etude expérimentale et théorique de lEIT sur la raie D 2 dune vapeur de césium 4.Source de vide comprimé à 852 nm

8 Fluctuations du champ électromagnétique Description classique: Description quantique: opérateurs de quadrature Etat cohérentEtat comprimé Mesure des quadratures avec une détection homodyne:

9 N atomes à 2 niveaux N spins fictifs 1/2 Opérateurs de spin collectif: Spins individuels alignés selon laxe z: Fluctuations du spin collectif atomique Etat cohérent de spinEtat comprimé de spin

10 EIT: transparence et ralentissement Schéma à 3 niveaux en Susceptibilité du milieu atomique pour le champ signal :

11 EIT: transfert champs-atomes Schéma dEIT résonant : Equations de couplage : Couplage lumière-matière X J x et Y J y Transfert réversible des fluctuations entre le champ signal et la cohérence entre les niveaux 1 et 2 des atomes

12 Séquence mémoire en EIT Ecriture Stockage Lecture

13 Plan de lexposé 1.Transfert réversible lumière - matière par transparence induite électromagnétiquement (EIT) 2.Stockage dun état cohérent par EIT dans une vapeur de césium 3.Etude expérimentale et théorique de lEIT sur la raie D 2 dune vapeur de césium 4.Source de vide comprimé à 852 nm

14 Transitions utilisées expérimentalement Transitions utilisées sur la raie D 2 du césium (852 nm): Vapeur de césium dans une cellule paraffinée: 30 à 40 °C T 1 ~ 50 ms

15 Environnement magnétique Environnement magnétique bien contrôlé: –Blindage (facteur décrantage ~1000) –8 bobines: champ magnétique de 1 à 3 G homogène à sur le volume de la cellule Durée de vie de la cohérence Zeeman entre les niveaux m F =+1 et m F =+3 de F=3: T µs (borne supérieure pour le temps de stockage)

16 signal à stocker bande latérale vide fenêtre dEIT contrôle (ou porteuse ou fréquence centrale) Signal en bande latérale unique Stockage dun état cohérent Signal = modulation à la fréquence = 2 L en bande latérale unique de la porteuse Mesure par détection homodyne avec oscillateur local à C on mesure aussi la bande latérale vide à C -2 L ajout dune unité de BQS sur la mesure des variances de et L B

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18 Schéma du montage expérimental

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28 Séquence temporelle

29 Stockage des 2 quadratures du champ signal Valeurs moyennes: Variances: Stockage et restitution cohérente des 2 quadratures du champ signal, sans excès de bruit champ relu fuite

30 2 L Efficacité en fonction de la fréquence de la BLU 2 L Configuration en BLU: indépendante de la largeur de la fenêtre dEIT mémoire accordable en fréquence (temps de stockage: 15 µs) Efficacité de stockage = amplitude état relu / amplitude état incident

31 Efficacité BLU vs modulation damplitude Modulation damplitude ( = 400 kHz) Modulation en BLU ( = 1,25 MHz) Configuration de stockage en bande latérale unique plus efficace que pour 2 bandes symétriques

32 Efficacité en fonction du temps de stockage Décroissance efficacité: 10 µs Durée de vie de la cohérence Zeeman: T µs Différence probablement due aux fuites des champs de contrôle et de la porteuse du signal - Puissance contrôle: 146 mW - Impulsion signal: 1,6 µs - ON/OFF contrôle: 1 µs - Puissance contrôle: 10 mW - Impulsion signal: 6,4 µs - ON/OFF contrôle: 3 µs

33 Excès de bruit à fort champ de contrôle Excès de bruit sur la variance relue à fort champ de contrôle (> 30 mW) Dû à la fuite du contrôle vers la détection homodyne Plus marqué pour un ON/OFF rapide du contrôle (1 µs)

34 Fuite du contrôle vers la détection homodyne Fuite supérieure en présence datomes interaction contrôle – atomes qui contribue à lexcès de bruit champs pompe et repompe éteints (= pas datomes) champs pompe et repompe allumés

35 Comparaison séquences soustraction bruit la configuration atomique (nombres datomes, positions, vitesses) joue un rôle important dans lexcès de bruit

36 Stockage dun état cohérent Stockage et restitution cohérente des 2 quadratures du champ signal Efficacité de 20 % à fort champ de contrôle, mais excès de bruit Interaction champ de contrôle – atomes participe au bruit 10 % defficacité de stockage sans excès de bruit performances de la mémoire dans le diagramme transmission – variance (diagramme T-V): elles sont dans le régime quantique

37 Plan de lexposé 1.Transfert réversible lumière - matière par transparence induite électromagnétiquement (EIT) 2.Stockage dun état cohérent par EIT dans une vapeur de césium 3.Etude expérimentale et théorique de lEIT sur la raie D 2 dune vapeur de césium 4.Source de vide comprimé à 852 nm

38 Schéma dEIT à 3 niveaux en Contrôle: 10 mW Diamètre: 10 mm 1 = 0 T 2 = 300 µs (atomes froids)(atomes chauds T = 40°C) Transmission symétrique à résonance et transmission > 80 %

39 Résultats expérimentaux 1 = 0 (a) et (b): signal: 300 µW, pompe: 0,1 mW, repompe: 0,2 mW (c), (d) et (e): signal: 10 µW, pompe: 4 mW, repompe: 10 mW Transparence faible (< 30 %), augmente avec C Pic de transparence dissymétrique pour 1 = 0 Schéma à 3 niveaux insuffisant

40 Schéma dEIT à 4 niveaux: atomes froids Contrôle: 10 mW Diamètre: 10 mm 1 = 0 T 2 = 300 µs (atomes froids) Faible dissymétrie et transparence plus faible quà 3 niveaux, pour des atomes froids

41 Schéma dEIT à 4 niveaux: atomes chauds Intégration sur le profil Doppler (165 MHz pour 40 °C) Effet de dépompage des atomes sélectif en vitesse

42 Schéma dEIT à 6 niveaux: dépompage Les atomes rapides sont dépompés dans F=4 Compétition entre les champs de contrôle, de pompe et de repompe

43 Schéma dEIT à 6 niveaux: courbes théoriques 1 = 0 On retrouve la forme dissymétrique expérimentale Mais transparence évolue peu avec puissance de contrôle

44 Schéma dEIT à 6 niveaux: courbes théoriques Augmentation du dépompage sélectif en vitesse avec la puissance du champ de contrôle la transparence augmente fortement confirmation du dépompage des atomes rapides induit par le champ de contrôle 1 = 0

45 EIT sur la raie D 2 dune vapeur de césium Schéma à 3 niveaux: insuffisant pour expliquer les observations expérimentales Prise en compte des autres niveaux excités + élargissement Doppler: disparition du pic de transparence Dépompage des atomes chauds par le champ de contrôle: permet dexpliquer les observations En cours: étude quantitative des effets de pompage

46 Plan de lexposé 1.Transfert réversible lumière - matière par transparence induite électromagnétiquement (EIT) 2.Stockage dun état cohérent par EIT dans une vapeur de césium 3.Etude expérimentale et théorique de lEIT sur la raie D 2 dune vapeur de césium 4.Source de vide comprimé à 852 nm

47 Schéma du montage expérimental

48 Le doubleur de fréquence Jusquà 600 mW de pompe à 852 nm Cavité résonante pour le rouge Cristal de PPKTP de type I Efficacité de conversion 55 % Ecart avec la théorie: effets thermiques Puissance maximale de seconde harmonique: 330 mW Faisceau gaussien TEM 00 Faisceau bien adapté pour pomper lOPO

49 Loscillateur paramétrique optique (OPO) 3,3 dB de compression à 1,5 MHz quadrature comprimée Compression large bande de 30 kHz à plus de 5 MHz compatible avec un transfert par EIT dans une mémoire atomique quadrature anti- comprimée

50 Conclusion et perspectives (1) –compression de bruit sur la bande de 30 kHz à 5 MHz Démonstration dune mémoire quantique par EIT EIT sur la raie D 2 du césium: au-delà du système à 3 niveaux Etat comprimé à 852 nm compatible avec des mémoires –10 % defficacité sans excès de bruit: fonctionnement dans le régime quantique (diagramme T-V) –effet conjugué de la structure hyperfine, de lélargissement Doppler et du dépompage

51 Transfert de lexpérience de mémoire vers des atomes froids: –construction dun piège magnéto-optique –cellule en verre –EIT meilleure que dans les atomes chauds Stockage détats non-classiques: –stockage dun état comprimé –génération dintrication entre 2 mémoires Conclusion et perspectives (2)


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