Sous la direction d’Elisabeth Giacobino

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

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

3 Communications à grande distance
L>> 100 km A B A B L0 L0 << L Communication classique: on réamplifie le signal Impossible en communication quantique

4 Utilisation de répéteurs quantiques (1)
L = N L0 A0 A1 A2 A3 AN-1 AN L0 L0 L0 échange d’intrication 2 L0 L0 L Nécessite une réalisation synchrone de toutes les étapes  Temps total: exponentiel avec L

5 Utilisation de répéteurs quantiques (2)
L = N L0 A0 A1 A2 A3 AN-1 AN L0 L0 L0 M M M M M M échange d’intrication M M M M 2 L0 L0 M M L Permet une réalisation asynchrone des différentes étapes Temps total: polynomial avec L  Nécessité de mémoires quantiques pour la lumière

6 Plan de l’exposé Transfert réversible lumière - matière par transparence induite électromagnétiquement (EIT) Stockage d’un état cohérent par EIT dans une vapeur de césium Etude expérimentale et théorique de l’EIT sur la raie D2 d’une vapeur de césium Source de vide comprimé à 852 nm

7 Plan de l’exposé Transfert réversible lumière - matière par transparence induite électromagnétiquement (EIT) Stockage d’un état cohérent par EIT dans une vapeur de césium Etude expérimentale et théorique de l’EIT sur la raie D2 d’une vapeur de césium Source de vide comprimé à 852 nm

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

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

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

11 EIT: transfert champs-atomes
Schéma d’EIT résonant : Equations de couplage : Couplage lumière-matière X  Jx et Y  Jy 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 l’exposé Transfert réversible lumière - matière par transparence induite électromagnétiquement (EIT) Stockage d’un état cohérent par EIT dans une vapeur de césium Etude expérimentale et théorique de l’EIT sur la raie D2 d’une vapeur de césium Source de vide comprimé à 852 nm

14 Transitions utilisées expérimentalement
Transitions utilisées sur la raie D2 du césium (852 nm): Vapeur de césium dans une cellule paraffinée: 30 à 40 °C T1 ~ 50 ms

15 Environnement magnétique
Environnement magnétique bien contrôlé: Blindage (facteur d’écrantage ~1000) 8 bobines: champ magnétique de 1 à 3 G homogène à 10-3 sur le volume de la cellule Durée de vie de la cohérence Zeeman entre les niveaux mF=+1 et mF=+3 de F=3: T2 ≈ 300 µs (borne supérieure pour le temps de stockage)

16 Signal en bande latérale unique
fenêtre d’EIT contrôle (ou porteuse ou fréquence centrale) signal à stocker bande latérale vide WLB Stockage d’un état cohérent Signal = modulation à la fréquence W = 2WL en bande latérale unique de la porteuse Mesure par détection homodyne avec oscillateur local à wC  on mesure aussi la bande latérale vide à wC-2WL  ajout d’une unité de BQS sur la mesure des variances de et

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18 Schéma du montage expérimental

19 Schéma du montage expérimental

20 Schéma du montage expérimental

21 Schéma du montage expérimental

22 Schéma du montage expérimental

23 Schéma du montage expérimental

24 Schéma du montage expérimental

25 Schéma du montage expérimental

26 Schéma du montage expérimental

27 Schéma du montage expérimental

28 Séquence temporelle

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

30 Efficacité en fonction de la fréquence de la BLU
Efficacité de stockage = amplitude état relu / amplitude état incident 2WL 2WL’ W W’ (temps de stockage: 15 µs) Configuration en BLU: W indépendante de la largeur de la fenêtre d’EIT  mémoire accordable en fréquence

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

32 Efficacité en fonction du temps de stockage
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 Décroissance efficacité: t ≈ 10 µs Durée de vie de la cohérence Zeeman: T2 ≈ 300 µs Différence probablement due aux fuites des champs de contrôle et de la porteuse du signal

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
champs pompe et repompe éteints (= pas d’atomes) champs pompe et repompe allumés Fuite supérieure en présence d’atomes  interaction contrôle – atomes qui contribue à l’excès de bruit

35 Comparaison séquences soustraction bruit
 la configuration atomique (nombres d’atomes, positions, vitesses) joue un rôle important dans l’excès de bruit

36 Stockage d’un 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 % d’efficacité 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 l’exposé Transfert réversible lumière - matière par transparence induite électromagnétiquement (EIT) Stockage d’un état cohérent par EIT dans une vapeur de césium Etude expérimentale et théorique de l’EIT sur la raie D2 d’une vapeur de césium Source de vide comprimé à 852 nm

38 Schéma d’EIT à 3 niveaux en L
Contrôle: 10 mW Diamètre: 10 mm D1 = 0 T2 = 300 µs (atomes froids) (atomes chauds T = 40°C) Transmission symétrique à résonance et transmission > 80 %

39 Résultats expérimentaux
D1 = 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 D1 = 0  Schéma à 3 niveaux insuffisant

40 Schéma d’EIT à 4 niveaux: atomes froids
Contrôle: 10 mW Diamètre: 10 mm D1 = 0 T2 = 300 µs (atomes froids) Faible dissymétrie et transparence plus faible qu’à 3 niveaux, pour des atomes froids

41 Schéma d’EIT 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 d’EIT 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 d’EIT à 6 niveaux: courbes théoriques
On retrouve la forme dissymétrique expérimentale Mais transparence évolue peu avec puissance de contrôle

44 Schéma d’EIT 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

45 EIT sur la raie D2 d’une 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 d’expliquer les observations En cours: étude quantitative des effets de pompage

46 Plan de l’exposé Transfert réversible lumière - matière par transparence induite électromagnétiquement (EIT) Stockage d’un état cohérent par EIT dans une vapeur de césium Etude expérimentale et théorique de l’EIT sur la raie D2 d’une vapeur de césium Source de vide comprimé à 852 nm

47 Schéma du montage expérimental

48 Le doubleur de fréquence
Jusqu’à 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 TEM00  Faisceau bien adapté pour pomper l’OPO

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

50 Conclusion et perspectives (1)
Démonstration d’une mémoire quantique par EIT 10 % d’efficacité sans excès de bruit: fonctionnement dans le régime quantique (diagramme T-V) EIT sur la raie D2 du césium: au-delà du système à 3 niveaux effet conjugué de la structure hyperfine, de l’élargissement Doppler et du dépompage Etat comprimé à 852 nm compatible avec des mémoires compression de bruit sur la bande de 30 kHz à 5 MHz

51 Conclusion et perspectives (2)
Transfert de l’expérience de mémoire vers des atomes froids: construction d’un piège magnéto-optique cellule en verre EIT meilleure que dans les atomes chauds Stockage d’états non-classiques: stockage d’un état comprimé génération d’intrication entre 2 mémoires