Upload
olivie-fabre
View
105
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
IRCOQ, 2 novembre 2006
mémoire quantique dans un solide
Jean-Louis Le Gouët
Laboratoire Aimé CottonOrsay
Kamel Bencheikh
Laboratoire Photonique et Nanostructures
Marcoussis
IRCOQ, 2 novembre 2006
mémoire quantique dans un solide
• 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
IRCOQ, 2 novembre 2006
mémoire quantique dans un solide
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?
IRCOQ, 2 novembre 2006
transparence induite par un champ de contrôle (EIT)
transmission
0
1
01
2
IRCOQ, 2 novembre 2006
transparence induite par un champ de contrôle (EIT)
transmission
0
1
01
2
ouverture d’une fenêtre de transparence
IRCOQ, 2 novembre 2006
transparence induite par un champ de contrôle (EIT)
transmission
0
1
indicede réfraction
n()
01
2
v 1dn( )c n( )
d
IRCOQ, 2 novembre 2006
transparence induite par un champ de contrôle (EIT)
transmission
0
1
indicede réfraction
n()
01
2
ralentissement de la lumière
IRCOQ, 2 novembre 2006
protocole EIT de stockage et de restitution (polariton noir)
01
2
IRCOQ, 2 novembre 2006
protocole EIT de stockage et de restitution (polariton noir)
01
2
IRCOQ, 2 novembre 2006
protocole EIT de stockage et de restitution (polariton noir)
01
2
IRCOQ, 2 novembre 2006
protocole EIT de stockage et de restitution (polariton noir)
01
2
IRCOQ, 2 novembre 2006
protocole EIT de stockage et de restitution (polariton noir)
01
2
IRCOQ, 2 novembre 2006
protocole EIT de stockage et de restitution (polariton noir)
01
2
IRCOQ, 2 novembre 2006
protocole EIT de stockage et de restitution (polariton noir)
01
2
IRCOQ, 2 novembre 2006
protocole EIT de stockage et de restitution (polariton noir)
01
2
IRCOQ, 2 novembre 2006
protocole EIT de stockage et de restitution (polariton noir)
01
2
IRCOQ, 2 novembre 2006
protocole EIT de stockage et de restitution (polariton noir)
01
2
état de lumière enregistré sous forme de cohérence Raman
IRCOQ, 2 novembre 2006
protocole EIT de stockage et de restitution (polariton noir)
01
2
IRCOQ, 2 novembre 2006
protocole EIT de stockage et de restitution (polariton noir)
01
2
IRCOQ, 2 novembre 2006
protocole EIT de stockage et de restitution (polariton noir)
01
2
IRCOQ, 2 novembre 2006
protocole EIT de stockage et de restitution (polariton noir)
01
2
IRCOQ, 2 novembre 2006
protocole EIT de stockage et de restitution (polariton noir)
01
2
IRCOQ, 2 novembre 2006
protocole EIT de stockage et de restitution (polariton noir)
01
2
IRCOQ, 2 novembre 2006
protocole EIT de stockage et de restitution (polariton noir)
01
2
IRCOQ, 2 novembre 2006
Les conditions de stockage EIT
hypothèses:
• pas d’ élargissement inhomogène
• largeur homogène = largeur naturelle
IRCOQ, 2 novembre 2006
Les conditions de stockage EIT
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
IRCOQ, 2 novembre 2006
Les conditions de stockage EIT
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
IRCOQ, 2 novembre 2006
Les conditions de stockage EIT
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
IRCOQ, 2 novembre 2006
Les conditions de stockage EIT
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
IRCOQ, 2 novembre 2006
Les conditions de stockage EIT
2 1signal tr
L
01
2
2. bande passante du signal < largeur de la fenêtre de transparence
IRCOQ, 2 novembre 2006
Les conditions de stockage EIT
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
IRCOQ, 2 novembre 2006
Les conditions de stockage EIT
3. ralentissement de la lumière: vgroupe<<c
v v1polariton noir lumière matière
c c
01
2
IRCOQ, 2 novembre 2006
01
2
Les conditions de stockage EIT
3. ralentissement de la lumière: vgroupe<<c
v v1polariton noir lumière matière
c c
IRCOQ, 2 novembre 2006
Les conditions de stockage EIT
2v 1
c c
la largeur de la
fenêtre de transparence
diminue
avec la vitesse de groupe
3. ralentissement de la lumière: vgroupe<<c
2 1tr
L
IRCOQ, 2 novembre 2006
Les conditions de stockage EIT
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
IRCOQ, 2 novembre 2006
Les conditions de stockage EIT
12
v
1
T L
TL
4. l’impulsion ralentie doit tenir tout entière dans le matériau
mémoire
IRCOQ, 2 novembre 2006
Les conditions de stockage EIT
121T
L
condition sur la fenêtre de
transparence
2 signal T L
temps bande passante
+ condition sur la longueur du milieu
2 1signal tr
L
opacité
IRCOQ, 2 novembre 2006
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
0
IRCOQ, 2 novembre 2006
utiliser l’élargissement inhomogène:les phénomènes d’écho
phasede la
cohérenceatomique
échode
photon
temps
(1)(2)(3)
IRCOQ, 2 novembre 2006
utiliser l’élargissement inhomogène:les phénomènes d’écho
phasede la
cohérenceatomique
échode
photon
temps
(1)(2)(3)
signal à enregistrer
IRCOQ, 2 novembre 2006
utiliser l’élargissement inhomogène:les phénomènes d’écho
phasede la
cohérenceatomique
échode
photon
temps
(1)(2)(3)
signal à enregistrer
stockage
IRCOQ, 2 novembre 2006
utiliser l’élargissement inhomogène:les phénomènes d’écho
phasede la
cohérenceatomique
échode
photon
temps
(1)(2)(3)
signal à enregistrer
stockage
lecturedéclenchée
IRCOQ, 2 novembre 2006
utiliser l’élargissement inhomogène:les phénomènes d’écho
phasede la
cohérenceatomique
échode
photon
temps
(1)(2)(3)
signal à enregistrer
stockage
lecturedéclenchée
restitution
IRCOQ, 2 novembre 2006
utiliser l’élargissement inhomogène:les phénomènes d’écho
échode
photon
signal à enregistrer
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).
IRCOQ, 2 novembre 2006
utiliser l’élargissement inhomogène:les phénomènes d’écho
échode
photon
signal à enregistrer
stockage
lecturedéclenchée
restitution
• pas de « fenêtre de transparence » contrôlable• restitution incomplète à cause de l’absorption du signal
IRCOQ, 2 novembre 2006
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)
IRCOQ, 2 novembre 2006
Inversion du déphasage inhomogène par un champ électrique externe
Fréquence de résonance atomique
absorption
élargissement inhomogène
IRCOQ, 2 novembre 2006
Inversion du déphasage inhomogène par un champ électrique externe
Fréquence de résonance atomique
absorption
sélection d’un grouped’atomes mono-fréquence
IRCOQ, 2 novembre 2006
Inversion du déphasage inhomogène par un champ électrique externe
Fréquence de résonance atomique
absorption
IRCOQ, 2 novembre 2006
Inversion du déphasage inhomogène par un champ électrique externe
Fréquence de résonance atomique
absorption
étalement de la distributionde fréquence par effet Starklinéaire sous l’actiond’un champ électrique externe
E
+-0
IRCOQ, 2 novembre 2006
Inversion du déphasage inhomogène par un champ électrique externe
Fréquence de résonance atomique
absorption
enregistrementdu signal E
+-0
IRCOQ, 2 novembre 2006
Inversion du déphasage inhomogène par un champ électrique externe
Fréquence de résonance atomique
absorption
évolution libredes cohérences:déphasage
E
+-0
IRCOQ, 2 novembre 2006
Inversion du déphasage inhomogène par un champ électrique externe
Fréquence de résonance atomique
absorption
au bout d’un temps :déclenchement de la lecturepar retournement du champ
E
-+0
IRCOQ, 2 novembre 2006
Inversion du déphasage inhomogène par un champ électrique externe
Fréquence de résonance atomique
absorption
E
-+0
évolution libredes cohérences:remise en phase
IRCOQ, 2 novembre 2006
Inversion du déphasage inhomogène par un champ électrique externe
Fréquence de résonance atomique
absorption
au bout d’un temps 2 :restitution du signal E
-+0
IRCOQ, 2 novembre 2006
IRCOQ, 2 novembre 2006
Chronogramme du CRIB
opacité
54%
L=2
IRCOQ, 2 novembre 2006
Inversion du déphasage inhomogène par un champ électrique externe
Fréquence de résonance atomique
abso
rpti
on
• durée de vie de la mémoire: 1/
• bande passante:
opacité: 0L
IRCOQ, 2 novembre 2006
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
IRCOQ, 2 novembre 2006
Variante: utiliser la cohérence Raman pour allonger le temps de stockage
signal à enregistrer
lecturedéclenchée
restitution
EE
IRCOQ, 2 novembre 2006
Variante: utiliser la cohérence Raman pour allonger le temps de stockage
restitution
E
signal à enregistrer
conversion en cohérence Raman
E
lecturedéclenchée
stockage
IRCOQ, 2 novembre 2006
Variante: utiliser la cohérence Raman pour allonger le temps de stockage
restitution
E
signal à enregistrer
conversion en cohérence Raman
E
lecturedéclenchée
1 2 3 4
1,2,3 4
•la largeur du groupe spectral sélectionné ne limite plus le temps de stockage
stockage
IRCOQ, 2 novembre 2006
Variante: utiliser la cohérence Raman pour allonger le temps de stockage
restitution
E
signal à enregistrer
conversion en cohérence Raman
E
lecturedéclenchée
stockage
1 2 3 41,2
• avec retournement spatial, le signal pourrait être intégralement restitué
43
IRCOQ, 2 novembre 2006
Chronogramme du CRIBavec retournement spatial
opaci
té
IRCOQ, 2 novembre 2006
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?
IRCOQ, 2 novembre 2006
Stockage d’une corrélation de type « time bin »
Mach Zehnderasymétrique
laserpulsé
cristalnon-linéaire
D1
D2
D1
D2
IRCOQ, 2 novembre 2006
Stockage d’une corrélation de type « time bin »
Mach Zehnderasymétrique
laserpulsé
cristalnon-linéaire
D1
D2
D1
D2
mémoire