Développement d'une mémoire quantique à registres multiples optimisée pour la génération itérative d'états en optique quantique

Development of a multi-registers quantum memory optimized for iterative generation of states in quantum optics

• Auteur / Autrice : Lucas Caron
• Direction : Rosa Tualle-brouri
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Charles Fabry (Palaiseau, Essonne ; 1998-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Optique Quantique
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Institut d'optique Graduate school (Palaiseau, Essonne ; 1920-....)

Mots clés

Mots clés libres

Optique quantique

Information quantique

Superposition d'états cohérents

Etats chat de Schrödinger

Quantum optics

Quantum Information

Coherent states superposition

Schrödinger cat states

Résumé

L'utilisation en optique quantique de protocoles hybrides, exploitant la double nature corpusculaire et ondulatoire de la lumière, pourrait ouvrir de très nombreuses perspectives dans le domaine de l'information quantique, avec notamment la possibilité à terme de réaliser un ordinateur quantique qui ne fonctionnerait qu'avec la lumière. Plus précisément, il est possible de générer des états quantiques très complexes de la lumière[1,2] en partant de photons uniques et en augmentant progressivement, de manière itérative, la complexité des états générés. La difficulté centrale de ce projet est de pouvoir stocker les états générés à chaque étape. Notre équipe a déjà avancé dans cette problématique avec la conception d'une source de photons uniques brillante[3] et d'une mémoire quantique capable de stocker ces photons[4] et de les utiliser pour générer un état plus complexe, en l'occurrence un état « chat de Schrödinger » optique[5]. Cette mémoire consiste en une cavité optique à faibles pertes, avec un système d'insertion/extraction actif permettant de stocker une impulsion lumineuse. Dans sa version actuelle, ce dispositif présente des limites : il ne peut stocker qu'un état à la fois, et sur une échelle de temps adaptée à la source de photons uniques mais pas à un stockage sur de longues durées. L'étape suivante consisterait à coupler plusieurs cavités de tailles différentes, permettant d'accéder à différentes échelles de temps de stockage et de stocker plusieurs états, à l'instar d'une mémoire à registres multiples. L'objectif de ce travail de thèse est la réalisation et l'étude de cette mémoire quantique d'un type nouveau, et son optimisation pour la génération itérative d'états, que ce soit par le choix des tailles des cavités et de leur nombre, ou le protocole de stockage.

The use in quantum optics of hybrid protocols, which exploit the dual corpuscular and wave nature of light, could open many perspectives in the field of quantum information, notably with the possibility to eventually make a quantum computer working only with light. More specifically, it is possible to generate very complex states of light[1,2] starting from single-photon states and increasing progressively, iteratively, the complexity of the generated states. The central issue of this project is the ability to store the states generated at each steps. Our team already achieves several milestones with the design of a bright single-photon source[3] and of a quantum memory able to store these photons[4] and to use them for the generation of a more complex state, an optical « Schrödinger cat state » in the present case[5]. This memory consists of a low-loss optical cavity, with an active insertion/extraction system allowing the storage of optical pulses. In its current form this device presents some limitations : it can store only one state at a time, and on a time scale adapted to the single-photon source but not to a long-time storage. The next step would be to couple several cavities with different lengths, in order to have access to different time scales and to store several states like in a multi-register memory. The aim of this thesis work is the development of such a new kind of quantum memory, and its optimization for iterative generation of states through the choice of the number and of the size of the cavities, or through the storage protocol.