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Tungstate de lanthane dopépraséodyme pour la manipulation
quantique de l’informationF. Beaudoux, O. Guillot-Noël, R. Marino, J. Lejay and Ph. Goldner
Laboratoire de Chimie de la Matière Condensée de Paris
A.Amari, W. Walther, L. Rippe, S. KröllDepartment of Physics, Lund Institute of Technology, Sweden
T. Chanelière, J-L. Le GouëtLaboratoire Aimé Cotton, Orsay
Journée nationale des cristaux pour l’optique 2009
Journée nationale des cristaux pour l’optique 2009
Alice Bob
EveCryptographie quantique
Possibilité d’avoir des communications extrêmement sures
La lumière est un vecteur de choix pour le transfert d’information
Problème: difficile à stocker, manipulerAu niveau quantique
Besoin d’un système matériel permettant de stocker et manipuler l’information
L’information quantique
Mémoire quantique
Journée nationale des cristaux pour l’optique 2009
Mémoire quantique pour les photons IConvertir un signal lumineux en cohérence atomique de longue durée de vie
et effectuer le processus inverse à la demande
|1>|2>
|3>
Long
Long
Très long
Mémoire quantiqu
e
optique
HF
Journée nationale des cristaux pour l’optique 2009
Mémoire quantique pour les photons IConvertir un signal lumineux en cohérence atomique de longue durée de vie
et effectuer le processus inverse à la demande
|1>|2>
|3>
Long
Long
Très long
Mémoire quantiqu
e
Haute fidélité: état identique pour le photon stocké et restituéHaute efficacité: un photon restitué pour un stocké (absorption)Temps de stockage suffisamment long (raies fines)Stockage de plusieurs photons: mémoire multimode
Journée nationale des cristaux pour l’optique 2009
Cristaux dopés aux ions de terres rares☺ Électrons f écrantés : monocristaux dopés terres rares équivalents à des systèmes isolés: temps de cohérence longs ( à température cryogénique)
2S+1LJ
2S’+1L’J’
Niveauxhyperfins
NiveauxChampcristallin
Niveaux champs cristallin (0-j)T2: 1 ns – 100 ns
Niveaux champs cristallin (0-0)T2: 1 μ s – 1 ms
Niveaux hyperfins (fondamental du champ cristallin)T2: 10 ms – 100 ms (avec B)T2: 10 s (avec RF)
☺ Présence d’une structure hyperfine (possibilité de faire un système à trois niveaux)
☺ Stockage sur un ensemble d’ions
Elargissement inhomogène des transitions
☺ Ions naturellement piégés
Journée nationale des cristaux pour l’optique 2009
Choix d’un matériaux: La2(WO4)3:Pr
Matrice
Praséodyme
☺ Ion non Kramers terre rare à nombre pair d’électrons
☺ Structure hyperfine naturelle (I=5/2): possibilité de construire un système à 3 niveaux
☺ Rayon ioniques similaires entre Pr3+ et l’ion terre La3+ : faibles contraintes lors du dopageFaible élargissement inhomogène
☺ Faible symétrie de site pour Pr3+
Relaxation des règles de sélections pour un système à trois niveaux
Moment magnétique nucléaire de 139La, µB = 2.78, 99.91%Participe à la décohérence
☺ Faible moment magnétique nucléaire de W: µB = 0.12, 14.3%Participe peu à la décohérence
Journée nationale des cristaux pour l’optique 2009
Croissance cristalline I
Chauffage inductif
Régulation par pesée
Bonne qualité cristalline des cristaux
2 à 3 semaines de croissance
Pollution par le creuset
Journée nationale des cristaux pour l’optique 2009
Croissance cristalline II☺ Température de fusion peu élevée 1090°C
☺ Croissance Czochralski
Difficultés de croissance dues à l’évaporation du WO3Contrôle en modifiant les gradients thermiquesDépart avec un mélange non stœchiométrique
Difficultés pour obtenir un échantillon long
☺ Bonne qualité optique
Journée nationale des cristaux pour l’optique 2009
Croissance cristalline III
Besoin d’un échantillon long (cm) et concentré ( 3 %)
Difficile à réaliser à cause du changement de composition du bain
Journée nationale des cristaux pour l’optique 2009
Principe des mesures de spectroscopie haute résolution
π/2 π
τ τ Temps
Impulsion 1: création d’une cohérence
Excitation sélective d’une classe d’ions
On scanne en fréquence l’absorption
Creusement d’un trou à la fréquence du laser
Révélation de la structure hyperfine cachée dans Γ inMesure du temps de vie du trou
Pendant le temps τ le système évolue librement
Impulsion 2: rephasage des dipôles, émission cohérente de lumière à un temps τ après le 2ième pulse
)/4exp( 2Tτ−
Creusement de trou spectral
Echo de photon
Détermination du temps de cohérence en contournant Γ in
Journée nationale des cristaux pour l’optique 2009
Schéma de principe du dispositif
Journée nationale des cristaux pour l’optique 2009
Journée nationale des cristaux pour l’optique 2009
Structure hyperfine, creusement de trou spectral
-50 0 50
In
tens
ité (U
nit.
arb.
)
(νpump- νprobe) (MHz)
5/2g
3/2g1/2g
1/2e
3/2e
5/2e
δg1 = 24.6 MHz
δe1 = 5.0 MHz
δg2 = 14.9 MHz
δe1 = 7.3 MHz
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32
1
2
3
4
567
0 2 4 6 8 10
1
10
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 221
2
3
4
5678
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 2620
40
60
80
100
120
Temps (s)
Inte
nsité
(uni
t. ar
b.)
d)c)
b)
a)
0 5 10 15 20
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
Concentration Pr x1019 (cm-3)
Tem
ps d
e vi
e du
trou
(s)
Journée nationale des cristaux pour l’optique 2009
Temps de cohérence
0 2 4 6 8 100,000
0,005
0,010
0,015
0,020
0,025
0,030
0,035
0,040
Inte
nsité
(uni
t. ar
b.)
Temps (µs)
Echoexcitations
200 250 300 350 400
16
17
18
hom
ogen
eous
line
wid
th (k
Hz)
Excitation density (W/cm2)
0,02%
0 250 500 750 1000 1250 1500 175024
26
28
30
32
34
36
38
40
H
omog
eneo
us L
inew
idth
(kH
z)
Excitation Density (1012/cm3)
1,4 % Un faible dopage réduit lesinteractions entre dopants
0.02% : 21 µs0.2% : 16 µS1.4% : 12 µs3% : 4 µs
Journée nationale des cristaux pour l’optique 2009
Temps de cohérence et température
2 3 4 5 6 70
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Larg
eur h
omog
éne
(kH
z)
Température (K)
Processus direct d’absorption d’un phonon
60 cm-1
30 cm-1
100 cm-1
3H4
1D2
)1)/exp((1
−Δ∝
ktg
Possibilité de travailler à plus « haute » température4K au lieu de 1.6 K (Hélium gazeux VS liquide)
2 3 4 5 6 70
20
40
60
80
100
120
Hom
ogen
eous
line
wid
th (k
Hz)
Temperature (K)
Journée nationale des cristaux pour l’optique 2009
Largeur inhomogènePetit rappel: matériaux choisi pour pouvoir avoir un dopage élevé sans élargir la transition de façon conséquente…résultat?
Ca marche!
0 10 20
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
LAWO: Pr YSO: Pr
Lar
geur
inho
mog
ène
(GH
z)
Concentration Pr x1019 (cm-3)
-20 -10 0 10 20-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
Fréquency (GHz)
α (c
m-1)
-60 -40 -20 0 20 40 60
0
2
4
6
8
10
12
14
α (c
m-1)
Fréquence (GHz)
1.4%: 19GHz0.02%: 9GHz
Largeur inhomogène réduite
Enfin presque!
Journée nationale des cristaux pour l’optique 2009
Principe des mesures Raman I
Impulsion à deux couleurs ω1 ω2Déphasage pendant TImpulsion hétérodyne ω3Battement à ω1 – ω2
Comment mesurer la largeur inhomogène et le temps de cohérence entreniveaux hyperfin (MHz) en utilisant un laser?
Transformée de Fourier
Déclin de la TF avec le
temps
LARGEUR INHOMOGENE
RAMAN
ω1 ω2
ω3
ω4
5/2g
3/2g
1/2g
1/2e3/2e5/2e
Journée nationale des cristaux pour l’optique 2009
Principe des mesures Raman II
Impulsion à deux couleurs ω1 ω2Déphasage pendant TImpulsion à deux couleurs ω1 ω2Impulsion hétérodyne ω3Battement à ω1 – ω2
Comment mesurer la largeur inhomogène et le temps de cohérence entreniveaux hyperfin (MHz) en utilisant un laser?
Transformée de Fourier
Déclin de la TF avec le
temps
TEMPS DE COHERENCE
RAMAN
Journée nationale des cristaux pour l’optique 2009
fréquence
Abs
orpt
ion
Préparation de l’écho Raman
0 10 20 30 40 50
0
2
4
6
8
10
Inte
nsité
tran
smis
e
Fréqeunce (MHz)
18 MHz Laser à ω1 sur une transition avec un niveau videLaser à ω2 sur une transition avec un niveau pleinLaser à ω4 sur une transition avec un niveau vide
+7.6 MHz + 14.9 MHz0 MHz-7.3 MHz
±5/2 g
± 3/2 g
± 1/2 g
± 5/2 e
± 3/2 e
± 1/2 e
ω1 ω2
ω3 ω4
24.6 MHz
14.9MHz
5.0 MHz7.3 MHz
Journée nationale des cristaux pour l’optique 2009
Echo Raman IEcho Raman sur La2(WO4)3:Pr 0.2%
Signal de battement à 14.9 MHz
Pas de signal si pas d’accord à deux photons
Préparation augmente le signal
Echo Raman sur La2(WO4)3:Pr 3% et transformé de Fo
0 2 4 6 8 10
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
0,50
0,55
0,60
0,65 sans préparation sans accord avec préparation
Temps (µs)
Inte
nsité
(Uni
t. ar
b.)
Journée nationale des cristaux pour l’optique 2009
Echo Raman II
0 2 4 6 8 100,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
0,50
0,55
0,60
0,65 10 µs 50 µs 100 µs
Inte
nsité
(Uni
t. ar
b.)
Temps (µs) 1 2 3 4 5 60,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
Inte
nsité
(Uni
t. Ar
b.)
Temps (µs)
0 50 100 150 200 250 300 3500
1
2
3
4
5
6
Inte
nsité
(Uno
t. Ar
b.)
Temps (µs)
Largeur inhomogène Raman 60 kHzTemps de cohérence Raman 250 µs
Journée nationale des cristaux pour l’optique 2009
Transparence électromagnétiquement induite
Vitesse ralentie à 17km/s!
Objectif réaliser la TEI au laboratoire dans un échantillon optiquement épais5/2g
3/2g
1/2g
1/2e3/2e5/2e
couplage sonde
Journée nationale des cristaux pour l’optique 2009
Conclusion/Perspectives
• Caractérisation (presque) complète de Pr:La2W3O12
☺ Largeur inhomogène
☺ Largeur homogène
☺ Protocole de stockage
• Croissance de cristaux dans une large gamme de concentration
• Réaliser la TEI dans un échantillon optiquement épais
• Champ magnétique? / radio fréquence?
Mémoire classique/ Mémoire quantique
Mémoire classique 8192000000 bits
Prix: 30 €
Mémoire quantique 1 qubitPrix :100000€ (lasers)30000€ (cryostat)40000€ (électronique)XXXXX€ (optique)…>>30€
Journée nationale des cristaux pour l’optique 2009
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