Optimisation de la programmation d’un cristal dopé aux ions de terres rares, opérant comme processeur analogique d’analyse spectrale RF, ou de stockage d’information quantique

Optimized programming of a rare-earth ion doped crystal, operating as a RF signal spectral analyzer, or as a quantum information storage processor

• Auteur / Autrice : Matthieu Bonarota
• Direction : Jean-Louis Le Gouët
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 21/09/2012
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ondes et Matière (Orsay, Essonne ; 1998-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Aimé Cotton (Orsay, Essonne) - Laboratoire Aimé Cotton
• Jury : Président / Présidente : Claudine Crepin-Gilbert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Louis Le Gouët, Claudine Crepin-Gilbert, Jean-Philippe Poizat, Luca Guidoni, Thierry Chanelière, Isabelle Zaquine
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean-Philippe Poizat, Luca Guidoni

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cohérence (optique)

Interactions photon-atome

Mémoires optiques

Terres rares

Échos de photon

Mots clés libres

Physique atomique

Cristaux dopés

Echo de photon

Laser

AFC

ROSE

Mémoire quantique

Lumière

Ensemble atomique

Atomic physics

Doped crystals

Photon echo

Laser

AFC

ROSE

Quantum memory

Light

Atomic ensemble

Résumé

La réalisation d’une mémoire quantique pour la lumière met en jeu les aspects les plus fondamentaux de l’interaction matière-rayonnement. Pour capturer l’information quantique portée par la lumière, le matériau doit être capable de se maintenir dans un état de superposition quantique. Le temps de stockage est limité par la durée de vie de cet état, caractérisée par le temps de cohérence. Les premières expériences ont été réalisées dans des vapeurs atomiques froides, bien connues. Plus récemment, les ions de terres rares en matrice cristalline (REIC) ont attiré l’attention par leurs long temps de cohérence, associés à de larges bandes passantes d’interaction. Pour exploiter ces bonnes propriétés, des protocoles spécifiques ont été proposés. Nous nous sommes tournés vers un dérivé prometteur de l’écho de photon, le Peigne Atomique de Fréquences (AFC, proposé en 2008), fondé sur la transmission du champ incident à travers un profil d’absorption spectralement périodique. Les premiers chapitres de ce manuscrit présentent ce protocole et les travaux effectués durant cette thèse pour en améliorer l’efficacité (i.e. la probabilité de capter et de restituer l’information incidente), en augmenter la bande passante et la capacité de multiplexage et en mesurer le bruit. Les chapitres suivants présentent un nouveau protocole, proposé dans notre groupe durant cette thèse, et baptisé ROSE (Revival Of Silenced Echo). Ce protocole, très proche de l’écho de photon, a été démontré et caractérisé expérimentalement. Il semble très prometteur en termes d’efficacité, de bande passante et de bruit.

The development of a quantum memory for light involves the most fundamental aspects of the light-matter interaction. To store the quantum information carried by light, the material has to be able to stay in a state of quantum superposition. The storage time is limited by the lifetime of this state, characterized by the coherence time. The first experiments involved the well-known cold atomic vapors. More recently, Rare Earth Ions doped Crystals (REIC) have drawn attention because of their remarkably long coherence time, combined with a large interaction bandwidth. Specific protocols have been proposed to take the most out of these properties. We have opted for a promising spin-off of the well-known photon echo, named the Atomic Frequency Comb (AFC, proposed in 2008), based on the transmission of the incoming field through a spectrally periodic absorption profile. The first chapters of this manuscript present this protocol and our works aimed at improving its efficiency (the probability for capturing and retrieving the incoming information), increasing its bandwidth and its multiplexing capacity and measuring its noise. The following chapters present a new protocol, proposed in our group during this thesis, and called Revival Of Silenced Echo (ROSE). This protocol, similar to the photon echo, have been demonstrated and characterized experimentally. It seems really promising in terms of efficiency, bandwidth and noise.