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Mémoires quantiques

L’équipe

E. Giacobino, J. Laurat

Post-Doctorants : D. Maxein

Doctorants : L. Giner, B. Gouraud, A. Nicolas, L. Veissier

Thématique : Mémoire quantique

Les « communications quantiques » ont pour objectif de transmettre aussi fidèlement que possible des états quantiques entre des sites distants. L’intrication, qui est reliée aux corrélations non-classiques possibles entre des systèmes séparés spatialement, constitue la principale ressource pour réaliser cet objectif : disposer d’états intriqués entre différents sites permet de réaliser des protocoles de cryptographie quantique ou encore le transfert fidèle d’un état quantique par téléportation. Les communications quantiques reposeront très probablement sur des canaux photoniques (fibres optiques). L’intrication disponible, et donc la fidélité de la communication, décroît alors exponentiellement avec la longueur du canal en raison des pertes et des processus de décohérence inévitables. En communication classique, des répéteurs permettent simplement d’amplifier le signal et de le régénérer. Cette technique n’est cependant pas physiquement possible dans le cadre des communications quantiques où ce processus détruirait irrémédiablement les propriétés non-classiques. Pour permettre des communications quantiques à grande distance, il est donc nécessaire d’utiliser des techniques plus complexes dites de « distillation d’intrication ». Cependant, elles ne suffissent pas à résoudre complètement le problème car elles nécessitent un nombre d’états partiellement intriqués augmentant exponentiellement avec la distance du canal. Pour de grandes distances, la communication reste irréaliste. Des répéteurs quantiques sont donc nécessaires pour réaliser des communications dans un canal réel, bruité et à pertes, et pour des distances arbitrairement grandes. Le concept de répéteurs quantiques, qui consiste à diviser le canal en plusieurs segments et opérer des purifications d’intrication en cascade, permet d’obtenir une croissance non plus exponentielle mais polynomiale de la ressource nécessaire. Les protocoles de purification étant non déterministes, une étape cruciale pour le développement de réseaux de communication quantique est de développer des mémoires quantiques.

Le transfert fidèle lumière-matière est donc indispensable à toute communication quantique à longue distance. L’équipe étudie les processus permettant un tel transfert, aussi bien dans des vapeurs atomiques que dans des nuages d’atomes froids (piégés dans un piège magnéto-optique ou piégés autour d’une nanofibre).

Pour une revue des protocoles de mémoires et des applications :
- J. Laurat, "Mémoires quantiques : stocker l’insaisissable", Pour La Science, Dossier trimestriel "Le monde quantique", juillet 2010 PLS

Mémoire dans des vapeurs atomiques

Une activité de recherche du groupe concerne l’étude des processus de stockage dans des vapeurs atomiques de Césium à température ambiante. Après la démonstration d’une mémoire quantique avec un tel système, nos travaux ont porté sur l’étude des phénomènes d’EIT dans les systèmes à plusieurs niveaux et présentant un élargissement inhomogène. Références : M. Scherman, O.S. Mishina, P. Lombardi, E. Giacobino, J. Laurat, "Enhancing electromagnetically-induced (...)

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Squeezing à 852 nm

Dans le contexte du transfert lumière-matière, il est nécessaire de développer des sources de lumière non-classique dont les longueurs d’onde sont compatibles avec les transitions atomiques des milieux utilisés. Nous avons développé une source de lumière comprimée à 852 nm (césium D2). Ce dispositif permet également de générer deux modes intriqués en séparant deux bandes latérales symétriques. Les processus de transfert étant généralement limités en bande passante, il est nécessaire (...)

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Mémoires quantiques dans des atomes froids

Une première expérience implémente des mémoires quantiques dans un ensemble d’atomes froids confinés dans un piège magnéto-optique (MOT). Des atomes de césium refroidis à quelques centaines de microkelvin y constituent un support matériel pour enregistrer l’état quantique d’un champ lumineux signal. Après une caractérisation détaillée du milieu (étude de la transition entre les modèles d’EIT et d’ATS), nous avons réalisé le stockage d’un état cohérent (...)

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