Etude de la transparence électromagnétiquement induite dans un ensemble d'atomes froids et application aux mémoires quantiques

Study of the Electromagnetically Induced Transparency in a cold atomic ensemble and application to quantum memories

• Auteur / Autrice : Lambert Giner
• Direction : Elisabeth Giacobino
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique Quantique
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Paris 6

Mots clés

Mots clés contrôlés

Brouillage électromagnétique

Ressources énergétiques

Dispositifs magnétooptiques

Résumé

Afin d'implémenter des protocoles de communications quantiques, comme cryptographie quantique par exemple, sur des distances supérieures à la centaine de kilomètres à l'aide de fibres optiques, il est nécessaire de développer de nouveaux outils : les répéteurs quantiques. Le principe de fonctionnement de ceux-ci repose sur l'existence de mémoires quantiques capable de stocker l'état de la lumière et de le réémettre à la demande. L'objectif de cette thèse est la réalisation d'une mémoire quantique dans un ensemble d'atomes froids de césium à l'aide d'un protocole de transparence électromagnétiquement induite (EIT). La première étape de ce travail a été la réalisation d'un piège magnéto-optique permettant de générer un nuage d'atomes froid de césium présentant une forte épaisseur optique. La seconde a été l'étude de la transparence du milieu. Ainsi, dans un système énergétique en Λ, l'application d'un champ de contrôle sur la transition adjacente à celle du champ signal permet d'ouvrir une fenêtre de transparence. Deux phénomènes peuvent expliquer cette observation : l'EIT qui correspond à des interférences destructives entre les chemins d'excitation et la séparation Autler-Townes (ATS) qui implique la séparation du niveau excité en deux niveaux habillés. Une étude détaillé et quantitative des deux phénomènes a été réalisée. La dernière étape a été la démonstration du stockage d'un état cohérent en régime de photons uniques avec une efficacité de 24% ainsi que les premiers résultats du stockage d'un bit d'information quantique encodé dans le moment orbital angulaire de la lumière.

In order to implement quantum communications, such as quantum cryptography, over distances larger than one hundred of kilometers using optical fibers, it is required to develop new tools known as "quantum repeaters". The way those devices work is based on the development of quantum memories which that store the quantum state of light and to retrieve it on demand. The goal of this Phd thesis is the realization of a quantum memory based on a cold atomic ensemble of cesium using a protocol Electromagnetically Induced Transparency (EIT). The first step of this work was the realization of a magneto-optical trap producing a cold atomic cloud of cesium exhibiting a large optical depth. The second step was the study of the transparency of the media. Indeed, in a Λ energy scheme, the application of a control field on the nearby transition of the signal field results in opening a transparency window. Two phenomena can explain this observation : the EIT which corresponds to destructive interferences between various excitation paths and Autler-Townes Splitting (ATS) corresponding to the separation of the excited state into two dressed states. A quantitative and detailed study has been carried out. The last step was the demonstration of the storage a coherent state in the single photon regime with an efficiency of 24% and the preliminary results of the storage of a quantum information bit.