VERS UNE MEMOIRE QUANTIQUE AVEC DES IONS PIEGES - Laboratoire Matériaux et Phénomènes Quantiques Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2009

TOWARDS A TRAPPED ION QUANTUM MEMORY

VERS UNE MEMOIRE QUANTIQUE AVEC DES IONS PIEGES

Résumé

This Phd work aims at developing an atomic medium composed of trapped ions, for quantum optics experiments and the achievement of a quantum memory. Such a memory is essential to realize long range quantum communication networks. Among the important conditions to implement memory protocols, the atomic medium should be both well isolated from the surrounding perturbations and also strongly coupled with light. In the particular case of trapped ions, the sample can be particularly well preserved from perturbations and the coupling with light depends on its low temperature and its high density. In these conditions, the ions cloud display a crystalline structure. The work contains an introduction to the quantum information field, to several memory protocols and also to the basic tools of trapped ions physics. Then experimental developments and results are presented. The implementation of the Doppler laser cooling method and the realization of an ion trap lead to prove ion confinement and cooling. An original method of ionization based on the simultaneous absorption of two photons was achieved thanks to the development of a pulsed laser. The realization of a second ion trap allows to reach the crystalline regime, using the photo-ionization method. crystals containing a few or a large number of ions were observed and characterized. The relevant parameters ruling the density of the crystal were clearly identified and the first measures of the interaction between the atomic sample and a probe beam were carried out.
Le domaine de l'information quantique tire partie des lois de la mécanique quantique pour élaborer des protocoles de traitement de l'information originaux. Des réseaux qui transportent ce type d'information ont déjà été démontrés mais leur portée est cependant limitée à une centaine de kilomètres à cause des pertes en ligne. Pour franchir cette limite l'élément clef à développer est une mémoire quantique, c'est à dire un milieu atomique capable de stocker un état quantique et dont les performances reposent conjointement sur un excellent couplage avec la lumière (pour les phases d'écriture ou de lecture) et un temps de cohérence important (pour la phase de stockage). Les ions piégés constituent un candidat intéressant pour l'implémentation d'une mémoire quantique, notamment car ils peuvent présenter d'excellentes propriétés d'isolation par rapport à leur environnement. La difficulté à réaliser une mémoire quantique avec des ions piégés tient en particulier à l'obtention d'un couplage important entre l'ensemble d'ions et la lumière, c'est à dire l'obtention d'un nuage atomique le plus dense et froid possible. Durant le travail de thèse, nous avons développé un ensemble expérimental capable de confiner, refroidir et observer plusieurs millions d'ions. Une méthode originale de chargement du piège fondée sur l'absorption simultanée de deux photons a été développée, nous permettant de limiter l'énergie initiale d'un ion et la pollution de l'environnement d'un tel nuage. Un piège de Paul linéaire de dimensions centimétriques a été dessiné et fabriqué au laboratoire pour confiner les ions et faciliter le régime de très faible température. En utilisant une technique de refroidissement laser, nous avons atteint ce régime dans lequel les ions adoptent une structure spatiale périodique, le cristal de Wigner. Cette structure a été observée dans des chaînes contenant quelques ions et dans des nuages dont la population dépasse le million. Les paramètres pertinents qui gouvernent la densité et la stabilité de ces cristaux ont été identifiés. Ces travaux sont une étape très encourageante pour l'obtention d'un couplage important entre les ions et la lumière, et la mise en oeuvre d'un protocole de mémoire quantique.
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Dates et versions

tel-00430795 , version 1 (09-11-2009)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00430795 , version 1

Citer

Sébastien Removille. VERS UNE MEMOIRE QUANTIQUE AVEC DES IONS PIEGES. Physique Atomique [physics.atom-ph]. Université Paris-Diderot - Paris VII, 2009. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00430795⟩
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