Tungstate de lanthane dopé praséodyme pour la manipulation quantique de l’informationcmdo.cnrs.fr/IMG/pdf/M6_Beaudoux_JNCO2009.pdf · 2016. 4. 4. · Cryptographie quantique Possibilité

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


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


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


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


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


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


Croissance cristalline I

Chauffage inductif

Régulation par pesée

Bonne qualité cristalline des cristaux

2 à 3 semaines de croissance

Pollution par le creuset


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


Croissance cristalline III

Besoin d’un échantillon long (cm) et concentré ( 3 %)

Difficile à réaliser à cause du changement de composition du bain


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


Schéma de principe du dispositif



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)


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


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)


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!


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


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


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


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.)


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


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


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€


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