Génération et caractérisation d’états intriqués en variables continues

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1 Génération et caractérisation d’états intriqués en variables continues
Gaëlle KELLER Thomas COUDREAU, Nicolas TREPS, Claude FABRE Retirer le symbole Quicov, changer le titre ?, retirer Jose ?, ajouter logo Icols Changer le masque des diapos ircoq Laboratoire Kastler-Brossel, Groupe Optique Quantique École Normale Supérieure, UPMC, CNRS

2 Les différents degrés de non-classicité du champ électromagnétique … comment les caractériser ?
Un système modèle pour l’expérience : l’Oscillateur Paramétrique Optique auto-verrouillé en phase Étude au-dessous du seuil Étude au-dessus du seuil L’OPO à 2 cristaux : vers la transmission de l’intrication de la lumière à la matière ?

3 Le champ électromagnétique est quantique
Représentation de Fresnel et inégalité de Heisenberg Représentation de Fresnel Champ classique Champ quantique Limite quantique standard

4 Étude des fluctuations quantiques du champ
Travail avec des champs intenses (~ 1 mW  ~ 1016 photons) : variables continues Fluctuations faibles (~ 105 photons) mais mesurables avec un analyseur de spectre Choix de la quadrature mesurée : détection homodyne (oscillateur local = référence de phase)

5 On peut comprimer l’ellipse de bruit
Même à l’égalité , on peut diminuer le bruit sur une des quadratures, à condition d’augmenter le bruit sur l’autre. Compression du bruit d’intensité Compression du bruit de phase Suivant une quadrature quelconque  Caractérisation quantitative par le bruit sur la quadrature comprimée

6 Avec 2 champs, on peut faire plus : des états intriqués
Pour 2 champs quelconques A1 et A2 : On peut donc avoir simultanément :  Corrélations parfaites  Anti-corrélations parfaites États intriqués, inséparables Doivent avoir fortement interagi Générés dans des milieux non linéaires

7 Un couple d’états : séparables ou inséparables ?
Séparabilité L.M. Duan et al., C. Simon (PRL 2000) Caractériser l’intrication : - un problème en soi - difficile : n’a pas encore été résolu dans le cas général par les théoriciens - variables continues : OK pour 2 modes gaussiens, de bons espoirs existent pour N > 2 modes gaussiens Comment la mesurer ? A1 A+ A2 A- S = 1  A1 et A2 sont deux états cohérents (indépendants) S < 1  A1 et A2 sont deux états inséparables De l’intrication à la compression, aller-retour

8 Un couple d’états : séparables ou inséparables ?
Critère de Mancini S. Mancini et al. (PRL 2002)  A1 et A2 sont deux états inséparables = 1  A1 et A2 sont deux états cohérents (indépendants)

9 Un couple d’états : séparables ou inséparables ?
Comparaison des deux critères Mancini Duan et Simon Mancini Duan et Simon Le critère de Mancini détecte davantage d’états inséparables. Le critère de Duan et Simon est un cas particulier du critère de Mancini.

10 Le paradoxe EPR A. Einstein B. Podolsky N. Rosen Expérience de pensée
A. Einstein, B. Podolsky, N. Rosen (Phys. Rev. 1935) A. Einstein B. Podolsky N. Rosen Expérience de pensée Pour eux, la Mécanique Quantique ne peut pas être non locale  Elle ne peut être qu’incomplète.

11 Le paradoxe EPR Expérience de pensée et non localité
Si on peut prédire avec certitude la valeur d’une grandeur physique d’un système sans le perturber, il existe un élément de réalité physique associé à cette grandeur (elle est prédéterminée). Deux particules et Position et impulsion ne commutent pas  ne peuvent pas être mesurées simultanément. Mais  En mesurant , on peut prédire la valeur de  est prédéterminée. Même raisonnement sur l’impulsion  et sont prédéterminées.  En contradiction avec la mécanique quantique … or il est inconcevable qu’elle soit non locale ! Elle est donc incomplète.

12 Corrélations EPR Corrélations EPR
On parle de corrélations EPR si, à partir d’une mesure sur un système, on peut déduire, pour deux quadratures orthogonales, la valeur d’une observable d’un second système séparé spatialement du premier. Critère de Reid M. Reid (Phys. Rev. 1989) Pour des faisceaux symétriques :  Les corrélations entre A1 et A2 sont de type EPR Variance conditionnelle = variance des fluctuations du mode 2 connaissant celles du mode 1  Les corrélations entre A1 et A2 sont de type EPR

13 Matrice de covariance d’un état gaussien
Matrice de covariance  caractérisation complète d’un état gaussien Corrélations symétrisées : Matrice de covariance et compression de bruit

14 Matrice de covariance pour 2 états gaussiens
Corrélations à 2 modes : Inégalité de Heisenberg : Forme symplectique :

15 Quantifier l’intrication : la négativité logarithmique
Vidal et Werner (PRA 2002) Transposition partielle : On change le signe d’une quadrature : Si l’état est non-séparable, viole l’inégalité de Heisenberg Négativité logarithmique → quantifie cette violation → une mesure d’intrication calculable à partir de la matrice de covariance Quantification de l’intrication et avec la quantité d’intrication pour un état séparable (seulement pour 2 modes)   Valide pour tous les états gaussiens, y compris à N modes

16 Les différents degrés de non-classicité du champ électromagnétique … comment les caractériser ?
Un système modèle pour l’expérience : l’Oscillateur Paramétrique Optique auto-verrouillé en phase Étude au-dessous du seuil Étude au-dessus du seuil L’OPO à 2 cristaux : vers la transmission de l’intrication de la lumière à la matière ?

17 Oscillateur Paramétrique Optique (OPO)
Conversion paramétrique dans un cristal c(2) de type II Signal et complémentaire sont produits simultanément, sur des polarisations orthogonales  Génération de modes vides ou brillants corrélés Z.Y. Ou et al. (PRL 1992) Le phénomène est amplifié dans une cavité triplement résonnante

18 Auto-verrouillage de phase : pourquoi ?
A priori w1 ≠ w2 : difficile de réaliser une mesure ; pas de détection homodyne (a été fait avec plusieurs cavités désaccordées). Villar et al. (PRL 2005) 2 oscillateurs locaux ? Impossible : w1 + w2 = w0 mais w1 – w2 fluctue avec les variations infinitésimales des paramètres expérimentaux. De toutes façons, si w1 ≠ w2  impossible de mixer signal et complémentaire (pas d’opération “lame 50/50”). On a besoin de forcer le système à travailler à dégénérescence en fréquence

19 Auto-verrouillage de phase : comment ?
On introduit un léger couplage entre signal et complémentaire : 2 oscillateurs couplés tendent à devenir synchrones. Une lame l/4 est insérée dans la cavité, et tournée d’un angle faible par rapport aux axes propres du cristal. Une faible partie du signal est projetée sur le complémentaire et réciproquement. Obtention de faisceaux EPR de même fréquence

20 Production et caractérisation des faisceaux EPR
OPO Caractérisation des modes intriqués A1 et A2 ou des modes comprimés A+ et A- Mesure de la matrice de covariance

21 Les différents degrés de non-classicité du champ électromagnétique … comment les caractériser ?
Un système modèle pour l’expérience : l’Oscillateur Paramétrique Optique auto-verrouillé en phase Étude au-dessous du seuil Étude au-dessus du seuil L’OPO à 2 cristaux : vers la transmission de l’intrication de la lumière à la matière ?

22 Sous le seuil : états EPR vides
Mesure de la séparabilité via la compression de bruit sur A+ et A- A A- Laurat et al. (PRA 2005) Réduction de bruit de plus de 4 dB sur chaque mode Séparabilité S = 0,33 < 1 Critère de Mancini : 0,11 < 1 Critère EPR : 0,42 < 1

23 Des états intriqués basse fréquence
Laurat et al. (PRA 2004) La séparabilité est < 1 jusque 50 kHz Utile quand on veut faire des mesures large bande

24 Mesure de la matrice de covariance
Laurat et al. (J.Opt.B 2005) Matrice de covariance des états comprimés A+ et A- Forme standard  Matrice de covariance des états intriqués A1 et A2 Négativité logarithmique : EN = 1,60 > 0 Aucune opération passive ne permet d’augmenter l’intrication

25 L’intrication est optimale
Opération passive Matrice dans la forme standard  L’intrication entre A1 et A2 est la meilleure  A+ et A- sont les modes les plus comprimés

26 Influence du couplage sur l’intrication
Un nouveau degré de liberté : le couplage entre signal et complémentaire, caractérisé par l’angle r de la lame d’onde Forme standard A1 et A2 intriqués Forme non-standard A1 et A2 intriqués Génération d’une grande variété d’états On génère des états dont on ne peut pas caractériser l’intrication avec les critères usuels Intérêt de la négativité logarithmique Séparabilité S = 0.33 < 1 Séparabilité ≠ mesure !

27 Génération d’intrication dans une forme non standard
On augmente r A A+ L’ellipse de bruit de A- tourne par rapport à A+ On perd de la compression de bruit sur A- Laurat et al. (PRA 2005)

28 Mesure de la matrice de covariance à faible couplage
Laurat et al. (J.Opt.B 2005) Matrice de covariance des états comprimés A+ et A- Forme non-standard  Matrice de covariance des états intriqués A1 et A2 Négativité logarithmique : EN = 1,13 > 0 (EN )max = 1,32 : une opération passive peut augmenter l’intrication

29 Retour à la forme standard
Une opération passive « non locale » « Non locale » = simultanée sur les 2 deux faisceaux (avant séparation) Opération passive Séparation des faisceaux Augmentation de l’intrication Laurat et al. (J.Opt.B 2005)

30 Retour à la forme standard
Laurat et al. (J.Opt.B 2005) Matrice de covariance des états comprimés A+ et A- Forme standard  Matrice de covariance des états intriqués A1 et A2 Négativité logarithmique : EN = (EN )max = 1,32 Intrication augmentée par une opération passive EN = (EN )max = 1,32 < 1,60 : le couplage dégrade l’intrication

31 Les différents degrés de non-classicité du champ électromagnétique … comment les caractériser ?
Un système modèle pour l’expérience : l’Oscillateur Paramétrique Optique auto-verrouillé en phase Étude au-dessous du seuil Étude au-dessus du seuil L’OPO à 2 cristaux : vers la transmission de l’intrication de la lumière à la matière ?

32 Au-dessus du seuil : états EPR brillants
Théoriquement : on devrait avoir des faisceaux EPR brillants. En pratique : A- est comprimé mais pas A+ A- A+ Limite quantique standard Bruit de phase sur la pompe ? Mesure à une autre fréquence d’analyse

33 Au-dessus du seuil : états EPR brillants ?
Fréquence d’analyse : 16,5 MHz A+ A- Séparabilité S = 0,78 < 1 Critère EPR : 1,2 > 1 Mesure du bruit du laser à 4 MHz : 12 dB en intensité, 17 dB en phase

34 Cavité de filtrage Réduction du bruit

35 Génération d’états EPR brillants
Keller et al. (en préparation) Fréquence d’analyse : 20 MHz Séparabilité S = 0,76 < 1 Critère EPR : 0,87 < 1

36 Résumé du comportement en fréquence
Keller et al. (en préparation) Génération de faisceaux EPR brillants de même fréquence à partir de 19 MHz

37 Les différents degrés de non-classicité du champ électromagnétique … comment les caractériser ?
Un système modèle pour l’expérience : l’Oscillateur Paramétrique Optique auto-verrouillé en phase Étude au-dessous du seuil Étude au-dessus du seuil L’OPO à 2 cristaux : vers la transmission de l’intrication de la lumière à la matière ?

38 Décrire la polarisation : les paramètres de Stokes
S0 = Ix + Iy S1 = Ix - Iy S2 = I+45 - I-45 S3 = ID - IG /4 45° /2 S3 S1 S2 Mesures sans oscillateur local Schéma : Bowen et al. (PRL 2002)

39 Comment générer de l’intrication en polarisation ?
Bowen et al. (PRL 2002) Système compact : OPO auto-verrouillé en phase à 2 cristaux

40 L’état de polarisation des faisceaux n’est pas fixé !
Un OPO à deux cristaux ? L’état de polarisation des faisceaux n’est pas fixé ! Génération de deux faisceaux brillants, de fréquences différentes et ajustables. Les composantes de polarisation verticales et horizontales sont corrélées. Laurat et al. (PRA 2006)

41 Verrouillage de phase du « double » OPO
Relations de phase  L’état de polarisation des faisceaux n’est pas fixé φH + φV = φH + φV = φ0 Restent libres : φH - φV et φH - φV Relations de phase  2 faisceaux, polarisés circulairement, de fréquences différentes Le couplage impose : φH - φV =π/2 φH + φV = φH + φV = φ0 Restent libres : φH - φV et φH - φV Laurat et al. (PRA 2006)

42 Résultats attendus : intrication entre S1 et S2
Couplage quasi nul Fort couplage Intrication entre S1 et S2 Faisceaux polarisés selon S3 2 couleurs ajustables Système compact générant de l’intrication compatible avec l’interface lumière-matière Laurat et al. (PRA 2006)

43 Conclusion et perspectives
Cadre théorique performant pour étudier les corrélations quantiques entre 2 modes gaussiens : matrice de covariance, quantification de l’intrication. Dispositif expérimental modèle, fonctionnant au-dessous et au-dessus du seuil : génération de faisceaux EPR vides et brillants. Démonstration théorique d’une extension possible vers l’intrication en polarisation.

44 Conclusion et perspectives
Améliorer la cavité de filtrage pour obtenir des faisceaux EPR intenses à plus basse fréquence d’analyse. Au-dessus du seuil : mesurer la matrice de covariance, étudier l’influence du couplage. Étudier les corrélations à trois modes : la pompe, le signal et le complémentaire. Expériences sur un OPO à 2 cristaux. Étudier les corrélations photons-champ des modes générés par l’OPO. Aller plus loin dans l’étude des corrélations : vers N modes gaussiens.