Nouvelle génération de mémoire quantique à atomes froids appliquée aux répéteurs quantiques

New generation cold-atom based quantum memory for quantum repeaters

• Auteur / Autrice : Jean-Gabriel Pipelin
• Direction : Julien Laurat
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 02/10/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Kastler Brossel (Paris ; 1998-....)

Mots clés

Mots clés libres

Atomes-froids

Mémoire quantique

Transparence Électromagnétiquement Induite

Intrication

Répéteur Quantique

Cold-Atoms

Quantum Memory

Electromagnetically Induced Transparency

Entanglement

Quantum Repeater

Résumé

Dans le cadre du développement du domaine des communications quantiques, un pan de la recherche s'attelle à la création de ce que l'on appelle un Internet Quantique. Parmi plusieurs applications, allant de l'extension du réseau de synchronisation des horloges des télescopes et le développement de réseau de capteurs, la création d'un Internet Quantique permettrait le transfert d'information quantique à longue distance. Le concept de répéteur quantique est au cœur de cette entreprise. Il consiste à diviser un long canal de communication en plusieurs segments plus courts sur lequel l'intrication peut être fidèlement distribuée. Les segments adjacents sont ensuite connectés par des opérations d'échanges d'intrication. Pour être fait à plus grande échelle, cette approche nécessite des mémoires quantiques, qui permettent de stocker des états quantiques a chaque nœud intermédiaire. Dans ce contexte, l'équipe du LKB a développé un grand ensemble d'atomes froids utilisant un piège magnéto-optique allongé (3 cm de long), permettant d'obtenir une grande profondeur optique (supérieure à 500). En utilisant cette configuration, l'équipe a démontré en 2018 le stockage de qubits avec une efficacité globale proche de 70%, une valeur qui doublait les performances habituelles à l'époque. Récemment, l'équipe a poussé cette valeur encore plus loin et a atteint la barre des 90 % pour le stockage d'intrication entre deux mémoires. Il s'agit de l'état de l'art en termes d'efficacité de stockage et de récupération pour une mémoire quantique, quel que soit le type de médium utilisé pour la mémoire. Dans le cadre du projet européen ''Quantum Internet Alliance'', un objectif clé est de construire un lien de répéteur quantique de télécommunications reposant sur deux mémoires quantiques distantes et des sources de paires de photons non dégénérées en fréquence. Parallèlement, une autre orientation centrale consiste à améliorer d'autres chiffres de mérite, notamment la capacité multimode. Ces efforts en cours seront réalisés en exploitant le multiplexage en modes spatiaux. Le projet de doctorat sera consacré à la construction d'une nouvelle génération d'expériences basées sur des atomes froids de rubidium afin de répondre à ces deux objectifs. Cette recherche implique le piégeage d'atomes froids, l'optique non linéaire, la détection de photons uniques, la génération et la caractérisation d'intrication à distance... Elle s'inscrit dans le contexte de l'initiative française sur l'information quantique et du projet phare européen ''Quantum Internet Alliance'' qui vise à développer un internet quantique paneuropéen.

In the broad development of quantum communications, one stream of research aims at creating a so-called Quantum Internet. Among other applications, ranging from extending the baseline of telescopes to clock synchronization and sensor networks, the creation of a Quantum Internet would enable long-distance quantum information transfer. Central to this endeavor is the concept of quantum repeater. It consists in dividing a long communication channel into various shorter segments over which entanglement can be faithfully distributed. Adjacent segments are then connected by entanglement swapping operations. To be scalable, this approach requires quantum memories, which enable quantum states to be stored at each intermediate node. In this context, the LKB team developed a large cold atomic ensemble based on an elongated magneto-optical trap (3-cm long), enabling it to obtain a large optical depth (above 500). Using this setup, in 2018, the team demonstrated qubit storage with an overall efficiency close to 70%, a value that doubled the usual performances at that time. Recently, the team pushed this value even higher and reached the 90% mark for entanglement storage between two memories. This is the state-of-the-art in term of storage-and-retrieval efficiency for a quantum memory, regardless of the physical platform considered. As part of the European Flagship project “Quantum Internet Alliance”, a key objective is to build a telecom quantum repeater link relying on two distant quantum memories and frequency non-degenerate photon pair sources. In parallel, another central direction is to improve improve other figures of merit, including multimode capacity. These ongoing efforts will be addressed by harnessing spatial mode multiplexing. The PhD project will be devoted to building a new generation of the experiment based on cold rubidium atoms to tackle both objectives. This research involves cold-atom trapping, non-linear optics, single-photon detection, remote entanglement generation and characterization It enters into the context of the French Initiative on Quantum Information and the European Flagship project “Quantum Internet Alliance” that aims at developing a pan-European quantum internet