Sous la direction d’Elisabeth Giacobino

30/09/2009

Transparence induite électromagnétiquement et mémoire quantique dans une vapeur de

césium

COMPAS

Jérémie Ortalo

Communications quantiques

• Réseaux de communications quantiques: nœuds quantiques et canaux quantiques

• Distribution d’états intriqués: permet cryptographie ou téléportation

• Atténuation dans les fibres: ~100 km

Communications à grande distance

A B

L>> 100 km

L0

BA

L0 << L

Communication classique: on réamplifie le signal Impossible en communication quantique

Utilisation de répéteurs quantiques (1)

Temps total: exponentiel avec L

A0 A1 A2 ANAN-1

L0

L = N L0

2 L0 L0

échange d’intrication

L

A3

L0 L0

Nécessite une réalisation synchrone de toutes les étapes

M

Utilisation de répéteurs quantiques (2)

Temps total: polynomial avec L

A0 A1 A2 ANAN-1

L0

L = N L0

2 L0 L0

échange d’intrication

L

A3

L0 L0

M M MM

M

M M

MM

M

M

Nécessité de mémoires quantiques pour la lumière

Permet une réalisation asynchrone des différentes étapes

Plan de l’exposé

1. Transfert réversible lumière - matière par transparence induite électromagnétiquement (EIT)

2. Stockage d’un état cohérent par EIT dans une vapeur de césium

3. Etude expérimentale et théorique de l’EIT sur la raie D2 d’une vapeur de césium

4. Source de vide comprimé à 852 nm

Plan de l’exposé

1. Transfert réversible lumière - matière par transparence induite électromagnétiquement (EIT)

2. Stockage d’un état cohérent par EIT dans une vapeur de césium

3. Etude expérimentale et théorique de l’EIT sur la raie D2 d’une vapeur de césium

4. Source de vide comprimé à 852 nm

Fluctuations du champ électromagnétique

• Description classique:

• Description quantique:opérateurs de quadrature

Y

X

|E|

Etat cohérent Etat comprimé

Y

X

Y

X

Y

X

Y

X

• Mesure des quadratures avec une détection homodyne:

• N atomes à 2 niveaux N spins fictifs 1/2 • Opérateurs de spin collectif:

• Spins individuels alignés selon l’axe z:

Fluctuations du spin collectif atomique

Etat cohérent de spin Etat comprimé de spin

EIT: transparence et ralentissement

• Schéma à 3 niveaux en

• Susceptibilité du milieu atomique pour le champ signal :

EIT: transfert champs-atomes

• Schéma d’EIT résonant :

• Equations de couplage :

Couplage lumière-matière X Jx et Y Jy

Transfert réversible des fluctuations entre le champ signal et la cohérence entre les niveaux 1 et 2 des atomes

Séquence mémoire en EIT• Ecriture

• Stockage

• Lecture

12

3

2

3

1

Signal

Contrôle

Atomes

2

3

1

Plan de l’exposé

1. Transfert réversible lumière - matière par transparence induite électromagnétiquement (EIT)

2. Stockage d’un état cohérent par EIT dans une vapeur de césium

3. Etude expérimentale et théorique de l’EIT sur la raie D2 d’une vapeur de césium

4. Source de vide comprimé à 852 nm

Transitions utilisées expérimentalement

• Transitions utilisées sur la raie D2 du césium (852 nm):

• Vapeur de césium dans une cellule paraffinée:

30 à 40 °C

T1 ~ 50 ms

Environnement magnétique• Environnement magnétique

bien contrôlé:

– Blindage (facteur d’écrantage ~1000)

– 8 bobines: champ magnétique de 1 à 3 G homogène à 10-3 sur le volume de la cellule

• Durée de vie de la cohérence Zeeman entre les niveaux mF=+1 et mF=+3 de F=3:

T2 ≈ 300 µs

(borne supérieure pour le temps de stockage)

C C L+2

signal à stocker

C C L+2 C L-2

bande latérale vide

C C L+2

fenêtre d’EIT

contrôle (ou porteuse ou fréquence centrale)

Signal en bande latérale unique

• Stockage d’un état cohérent

• Signal = modulation à la fréquence = 2L en bande latérale unique de la porteuse

• Mesure par détection homodyne avec oscillateur local à C

on mesure aussi la bande latérale vide à C-2L

ajout d’une unité de BQS sur la mesure des variances de et

LB

Schéma du montage expérimental

Schéma du montage expérimental

Schéma du montage expérimental

Schéma du montage expérimental

Schéma du montage expérimental

Schéma du montage expérimental

Schéma du montage expérimental

Schéma du montage expérimental

Schéma du montage expérimental

Schéma du montage expérimental

Séquence temporelle

Stockage des 2 quadratures du champ signal• Valeurs

moyennes:

• Variances:

Stockage et restitution cohérente des 2 quadratures du champ signal, sans excès de bruit

champ relu

fuite

’

2L’

Efficacité en fonction de la fréquence de la BLU

2L

Configuration en BLU: indépendante de la largeur de la

fenêtre d’EIT mémoire accordable en fréquence

(temps de stockage: 15 µs)

Efficacité de stockage = amplitude état relu / amplitude état incident

Efficacité BLU vs modulation d’amplitude

Modulation d’amplitude ( = 400 kHz)

Modulation en BLU ( = 1,25 MHz)

Configuration de stockage en bande latérale unique plus

efficace que pour 2 bandes symétriques

Efficacité en fonction du temps de stockage

• Décroissance efficacité: ≈ 10 µs

• Durée de vie de la cohérence Zeeman: T2 ≈ 300 µs

• Différence probablement due aux fuites des champs de contrôle et de la porteuse du signal

- Puissance contrôle: 146 mW

- Impulsion signal: 1,6 µs

- ON/OFF contrôle: 1 µs

- Puissance contrôle: 10 mW

- Impulsion signal: 6,4 µs

- ON/OFF contrôle: 3 µs

Excès de bruit à fort champ de contrôle

• Excès de bruit sur la variance relue à fort champ de contrôle (> 30 mW)

• Dû à la fuite du contrôle vers la détection homodyne• Plus marqué pour un ON/OFF rapide du contrôle (1 µs)

Fuite du contrôle vers la détection homodyne

Fuite supérieure en présence d’atomes

interaction contrôle – atomes qui contribue à l’excès de bruit

champs pompe et repompe éteints (= pas d’atomes)

champs pompe et repompe allumés

Comparaison séquences soustraction bruit

la configuration atomique (nombres d’atomes, positions, vitesses) joue un rôle important dans l’excès de bruit

Stockage d’un état cohérent

• Stockage et restitution cohérente des 2 quadratures du champ signal

• Efficacité de 20 % à fort champ de contrôle, mais excès de bruit

• Interaction champ de contrôle – atomes participe au bruit

• 10 % d’efficacité de stockage sans excès de bruit performances de la mémoire dans le diagramme

transmission – variance (diagramme T-V): elles sont dans le régime quantique

Plan de l’exposé

1. Transfert réversible lumière - matière par transparence induite électromagnétiquement (EIT)

2. Stockage d’un état cohérent par EIT dans une vapeur de césium

3. Etude expérimentale et théorique de l’EIT sur la raie D2 d’une vapeur de césium

4. Source de vide comprimé à 852 nm

Schéma d’EIT à 3 niveaux en

Contrôle: 10 mW

Diamètre: 10 mm

1 = 0

T2 = 300 µs

(atomes froids) (atomes chauds T = 40°C)

Transmission symétrique à résonance et transmission > 80 %

Résultats expérimentaux

1 = 0

(a) et (b): signal: 300 µW, pompe: 0,1 mW, repompe: 0,2 mW

(c), (d) et (e): signal: 10 µW, pompe: 4 mW, repompe: 10 mW

• Transparence faible (< 30 %), augmente avec C

• Pic de transparence dissymétrique pour 1 = 0

Schéma à 3 niveaux insuffisant

Schéma d’EIT à 4 niveaux: atomes froids

Contrôle: 10 mW

Diamètre: 10 mm

1 = 0

T2 = 300 µs

(atomes froids)

Faible dissymétrie et transparence plus faible qu’à 3 niveaux, pour des atomes froids

Schéma d’EIT à 4 niveaux: atomes chauds

Intégration sur le profil Doppler (165 MHz pour 40 °C)

Effet de dépompage des atomes sélectif en vitesse

Schéma d’EIT à 6 niveaux: dépompage

• Les atomes rapides sont dépompés dans F=4• Compétition entre les champs de contrôle, de pompe et

de repompe

Schéma d’EIT à 6 niveaux: courbes théoriques

1 = 0

• On retrouve la forme dissymétrique expérimentale• Mais transparence évolue peu avec puissance de contrôle

Schéma d’EIT à 6 niveaux: courbes théoriques

• Augmentation du dépompage sélectif en vitesse avec la puissance du champ de contrôle la transparence augmente fortement

confirmation du dépompage des atomes rapides induit par le champ de contrôle

1 = 0

EIT sur la raie D2 d’une vapeur de césium

• Schéma à 3 niveaux: insuffisant pour expliquer les observations expérimentales

• Prise en compte des autres niveaux excités + élargissement Doppler: disparition du pic de transparence

• Dépompage des atomes chauds par le champ de contrôle: permet d’expliquer les observations

• En cours: étude quantitative des effets de pompage

Plan de l’exposé

1. Transfert réversible lumière - matière par transparence induite électromagnétiquement (EIT)

2. Stockage d’un état cohérent par EIT dans une vapeur de césium

3. Etude expérimentale et théorique de l’EIT sur la raie D2 d’une vapeur de césium

4. Source de vide comprimé à 852 nm

Schéma du montage expérimental

Le doubleur de fréquence• Jusqu’à 600 mW de pompe à 852 nm• Cavité résonante pour le rouge• Cristal de PPKTP de type I

• Efficacité de conversion ≈ 55 %• Ecart avec la théorie: effets thermiques• Puissance maximale de seconde harmonique: 330 mW

• Faisceau ≈ gaussien TEM00

Faisceau bien adapté pour pomper l’OPO

L’oscillateur paramétrique optique (OPO)

3,3 dB de compression à 1,5 MHz

quadrature comprimée

Compression large bande de 30 kHz à plus de 5 MHz compatible avec un transfert par EIT dans une mémoire atomique

quadrature anti-comprimée

Conclusion et perspectives (1)

– compression de bruit sur la bande de 30 kHz à 5 MHz

• Démonstration d’une mémoire quantique par EIT

• EIT sur la raie D2 du césium: au-delà du système à 3 niveaux

• Etat comprimé à 852 nm compatible avec des mémoires

– 10 % d’efficacité sans excès de bruit: fonctionnement dans le régime quantique (diagramme T-V)

– effet conjugué de la structure hyperfine, de l’élargissement Doppler et du dépompage

• Transfert de l’expérience de mémoire vers des atomes froids:– construction d’un piège magnéto-optique

– cellule en verre

– EIT meilleure que dans les atomes chauds

• Stockage d’états non-classiques:– stockage d’un état comprimé

– génération d’intrication entre 2 mémoires

Conclusion et perspectives (2)