Vers une mémoire quantique dans des ions piégés

Towards a quantum memory in a large cloud of cold ions

• Auteur / Autrice : Sébastien Removille
• Direction : Thomas Coudreau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Champs, particules, matière
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Paris 7

Mots clés

Mots clés contrôlés

Refroidissement laser

Optique quantique

Ions piégés

Résumé

L'objectif de cette thèse est le développement d'un milieu atomique forme d'ions pièges pour des expériences d'optique quantique et la réalisation d'une mémoire quantique. Une telle mémoire est indispensable a la mise en place de réseaux de communication quantique longue portée. Parmi les conditions nécessaires a la mise en oeuvre d'une protocole de mémoire, le milieu doit présenter simultanément une bonne isolation de son environnement et un bon couplage avec la lumière. Un nuage d'ions piegés peut présenter d'excellentes propriétés d'isolation et le couplage avec la lumière est d'autant meilleur qu'il est froid et dense. Dans ces conditions le nuage se présente sous forme cristalline. Le domaine de l'information quantique, divers protocoles de mémoire et les outils de la physique des ions piegés sont présentes avant de décrire les développements expérimentaux. La mise! En place du refroidissement doppler et le développement d'un piège a ions ont permis de démontrer le confinement et le refroidissement d'ions. Une nouvelle méthode de chargement fondée sur l'absorption simultanée de deux photons a été réalisée grâce au développement d'un laser à impulsions ultra brèves. Un second piège a ions a été développé dans lequel le régime cristallin a pu etre atteint, des cristaux contenant quelques ions ou plusieurs millions ont été observes et caractérisés. Les paramètres importants qui permettent d'augmenter la densité du cristal ont été clairement identifies et les premières mesures d'interaction entre l'échantillon atomique et un faisceau sonde ont été menées.

This phd work aims at developing an atomic medium composed by trapped ions, for quantum optics experiments and the achievment of a quantum memory. Such a memory is essential to realize long range quantum communication networks. Among the important conditions to implement memory protocols, the atomic medium should be both well isolated fom the surrounding perturbations and also strongly coupled with light. In the particular case of trapped ions, the sample can be particulary well preserved from perturbations as the coupling with light depends on its lowtemperature and its high density. In these conditions, the ions cloud display a crystalline structure. The work contains an introduction to the quantum information field, to several memory protocols and also to the basic tools of trapped ions physics. Then experimental developments and results are presented. The implementation of the doppler laser cooling method and the realization of an ion trap lead to prove ion confinement and cooling. An original method of ionisation based on the simultaneous absorption of two photons was achieved thanks to the development of a pulsed laser. The realization of a second ion trap allows to reach the crystalline regime, using the photo-ionisation mettfod. Crystals containg a few or a large number of ions were observed and characterised. The important parameters governig the density of the crystal were clearly identified and the first measures of the interaction between the atomic sample and a probe beam were carried out.