Décohérence dans les cristaux Y2Si05 dopés aux ions de terre rare

Decoherence in rare-earth doped Y2SiO5 crystals

• Auteur / Autrice : Charlotte Pignol
• Direction : Virginia D'Auria, Jean Etesse
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Doctorat physique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2021
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Physique de Nice

Mots clés

Mots clés libres

Mémoires quantiques

Ions de terre rares

Information quantique

Décohérence

Quantum memories

Rare eath ions

Quantum information

Decoherence

Résumé

Les cristaux dopés aux ions de terres rares constituent une plateforme de choix pour mettre en œuvre de nombreux protocoles de stockage et de manipulation de l'information photonique quantique. Ceci est notamment dû à leurs propriétés de cohérence record ainsi que les possibilités de mise à l'échelle qu'ils offrent. Des temps de stockage de l'ordre de l'heure ont pu être démontrés à l'aide d'ions 'non-Kramers', avec un protocole ouvrant la voie à du stockage multiplexé en fréquence : le protocole de peigne de fréquence atomique [1]. De telles démonstrations n'ont en revanche pu être réalisées que dans des conditions magnétiques spécifique et contraignantes, restreignant l'utilisabilité concrète de tels dispositifs [2]. Un objectif de la thèse sera d'identifier et d'adresser les phénomènes déphasants à l'origine des faibles temps de cohérence des ions à champ nul, pour proposer une alternative viable et efficace à champ faible pour le stockage longue durée de l'information quantique. Notamment, les processus de couplage super-hyperfin avec les spins nucléaires de la matrice environnante seront étudiés et quantifiés [3]. Des simulations numériques permettront en particulier de vérifier les observations expérimentales. Dans un second temps, cette thèse permettra d'explorer l'utilisation des ensembles d'ions de terres rares pour générer et manipuler des états quantiques complexes du champ électromagnétique. Pour ce faire, un protocole similaire au protocole DLCZ [4,5] (utilisé pour générer des états à un photon) sera étudié, au cours duquel l'onde de spin est mise en forme par des opérations photoniques itératives. [1] M. Afzelius et al., Phys. Rev. A 79, (2009). [2] Y. Ma et al., Nat. Commun. 12, 2381 (2021). [3] E. Fraval et al., J. Lumin. 107, 347 (2004). [4] L.-M. Duan et al., Nature 414, 413 (2001). [5] P. Sekatski et al., Phys. Rev. A 83, 053840 (2011).

Rare-earth ion-doped crystals constitute a unique platform to implement a wide variety of protocols for storage and manipulation of quantum information. This is notably due to their record coherence properties and the scalability they offer. Storage time of the order of one hour could be demonstrated with 'non-Kramers' ions, with a protocol opening the way to frequency multiplexed storage: the atomic frequency comb [1]. Such demonstrations could however only be realized in specific and constraining magnetic configurations, restraining the concrete usability of such systems [2]. An objective of th PhD will be to identify and adress the dephasing processes leading to small coherence times at zero field, in order to propose a viable and efficient alternative at low field for long duration storage of quantum information. Notably, syperhyperfine coupling processes with neighboring nuclear spins of the crystalline matrix will be studied and quantified [3]. In particular, numerical simulations will allow verifying the experimental observations. In a second time, this PhD will be the occasion to explore the use of rare-earth ion ensembles to generate and manipulate complex quantum states of the electromagnetic field. To this extent, a protocol similar to the DLCZ protocol [4,5] (initially used to generate single photon Fock states) will be studied, in which the spin-wave is shaped by iterative photonic operations. [1] M. Afzelius et al., Phys. Rev. A 79, (2009). [2] Y. Ma et al., Nat. Commun. 12, 2381 (2021). [3] E. Fraval et al., J. Lumin. 107, 347 (2004). [4] L.-M. Duan et al., Nature 414, 413 (2001). [5] P. Sekatski et al., Phys. Rev. A 83, 053840 (2011).