IRCOQ, 2 novembre 2006 mémoire quantique dans un solide Jean-Louis Le Gouët Laboratoire Aimé...

IRCOQ, 2 novembre 2006

mémoire quantique dans un solide

Jean-Louis Le Gouët

Laboratoire Aimé CottonOrsay

Kamel Bencheikh

Laboratoire Photonique et Nanostructures

Marcoussis

• principe et conditions de fonctionnement d’une mémoire de type EIT• comparaison des paramètres des atomes froids et des ions de terres rares en matrice cristalline• exemples d’EIT dans les ions de terres rares en matrice cristalline et dans les puits quantiques semiconducteurs• architectures d’écho

Que faire

- pour restituer « à la demande » la lumière enregistrée?

- pour que l’ensemble d’atomes soit opaque à l’entrée et transparent à la sortie?

transparence induite par un champ de contrôle (EIT)

transmission

ouverture d’une fenêtre de transparence

transmission

indicede réfraction

v 1dn( )c n( )

transmission

indicede réfraction

ralentissement de la lumière

protocole EIT de stockage et de restitution (polariton noir)

état de lumière enregistré sous forme de cohérence Raman

Les conditions de stockage EIT

hypothèses:

• pas d’ élargissement inhomogène

• largeur homogène = largeur naturelle

1. bande passante du signal < largeur de la raie d’absorption

2. bande passante du signal < largeur de la fenêtre de transparence.

3. ralentissement de la lumière: vgroupe<<c

4. l’impulsion ralentie doit tenir tout entière dans le matériau mémoire

car il faut pouvoir refermer la fenêtre de transparence

2 1signal tr

2. bande passante du signal < largeur de la fenêtre de transparence

v v1polariton noir lumière matière

la largeur de la

fenêtre de transparence

diminue

avec la vitesse de groupe

4. l’impulsion ralentie doit tenir tout entière dans le matériau

mémoire

condition sur la fenêtre de

transparence

2 signal T L

temps bande passante

+ condition sur la longueur du milieu

2 1signal tr

opacité

Atomes froids et cristaux dopés en ions de terres rares

Terres rares Atomes froids

mouvement des atomes 0 1cm/s

durée de vie des cohérences Raman

>100µs >1ms

durée de vie des niveaux supérieurs

500µs-10ms 10-100ns

largeur homogène/durée de vie cohérence optique

< 10kHz

>100µs

10MHz-1GHz

1-100ns

élargissement inhomogène des transitions optiques

>1GHz 0

élargissement inhomogène des transitions Raman

inhomogénéité du champ cristallin

utiliser l’élargissement inhomogène:les phénomènes d’écho

phasede la

cohérenceatomique

échode

photon

(1)(2)(3)

phasede la

cohérenceatomique

échode

photon

(1)(2)(3)

signal à enregistrer

phasede la

cohérenceatomique

échode

photon

(1)(2)(3)

stockage

phasede la

cohérenceatomique

échode

photon

(1)(2)(3)

stockage

lecturedéclenchée

phasede la

cohérenceatomique

échode

photon

(1)(2)(3)

stockage

lecturedéclenchée

restitution

échode

photon

stockage

lecturedéclenchée

restitution

• application connue au stockage d’information classique • bande passante limitée par la largeur inhomogène• temps de mémoire fixé par la durée de vie des cohérence

(écho à deux impulsions) ou la durée de vie des populations (écho stimulé).

échode

photon

stockage

lecturedéclenchée

restitution

• pas de « fenêtre de transparence » contrôlable• restitution incomplète à cause de l’absorption du signal

Inversion du déphasage inhomogène par un champ électrique externe

Fréquence de résonance atomique

absorption

élargissement inhomogène

Wolfgang TittelMikael AfzeliusNicolas Gisin(GAP Genève)

Controlled Reversible Inhomogeneous Broadening

(CRIB)

absorption

élargissement inhomogène

absorption

sélection d’un grouped’atomes mono-fréquence

absorption

étalement de la distributionde fréquence par effet Starklinéaire sous l’actiond’un champ électrique externe

absorption

enregistrementdu signal E

absorption

évolution libredes cohérences:déphasage

absorption

au bout d’un temps :déclenchement de la lecturepar retournement du champ

absorption

évolution libredes cohérences:remise en phase

absorption

au bout d’un temps 2 :restitution du signal E

Chronogramme du CRIB

opacité

• durée de vie de la mémoire: 1/

• bande passante:

opacité: 0L

Atouts et faiblesses du CRIB

• Pas d’autre excitation lumineuse que le signal à enregistrer: le champ électrique appliqué n’est pas couplé à la transition optique

• Le champ électrique de contrôle n’est pas absorbé: tous les atomes voient le même champ

• Mais: – sélectionner un groupe d’ions monofréquence contredit

l’objectif visé, qui est de tirer parti de la distribution inhomogène

– cela se traduit par une réduction dramatique de l’opacité: pour une bande passante de 1GHz et un temps de mémoire de 10µs, l’opacité est réduite d’un facteur 104

Variante: utiliser la cohérence Raman pour allonger le temps de stockage

lecturedéclenchée

restitution

conversion en cohérence Raman

lecturedéclenchée

stockage

restitution

lecturedéclenchée

1 2 3 4

1,2,3 4

•la largeur du groupe spectral sélectionné ne limite plus le temps de stockage

stockage

restitution

lecturedéclenchée

stockage

1 2 3 41,2

• avec retournement spatial, le signal pourrait être intégralement restitué

Chronogramme du CRIBavec retournement spatial

Conclusion

• EIT: opérationnelle dans les ions de terres rares en matrice mais faible bande passante

• CRIB: meilleure bande passante, séparation temporelle des champs « signal » et « contrôle » mais très exigeant en densité optique.

• Une cavité de faible finesse (largeur du profil de transmission >

bande passante) augmenterait la densité optique effective. • Un système que nous avons peut-être ignoré à tort:

centres NV du diamant + cavité: concentration faible mais force d’oscillateur élevée

• Quel type d’information quantique veut-on stocker?

Stockage d’une corrélation de type « time bin »

Mach Zehnderasymétrique

laserpulsé

cristalnon-linéaire

Stockage d’une corrélation de type « time bin »

Mach Zehnderasymétrique

laserpulsé

cristalnon-linéaire

mémoire

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