IRCOQ, 2 novembre 2006 mémoire quantique dans un solide Jean-Louis Le Gouët Laboratoire Aimé...

IRCOQ, 2 novembre 2006

mémoire quantique dans un solide

Jean-Louis Le Gouët

Laboratoire Aimé CottonOrsay

Kamel Bencheikh

Laboratoire Photonique et Nanostructures

Marcoussis



• 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



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?


transparence induite par un champ de contrôle (EIT)

transmission

0

1

01

2



transmission

0

1

01

2

ouverture d’une fenêtre de transparence



transmission

0

1

indicede réfraction

n()

01

2

v 1dn( )c n( )

d



transmission

0

1

indicede réfraction

n()

01

2

ralentissement de la lumière


protocole EIT de stockage et de restitution (polariton noir)

01

2



01

2

état de lumière enregistré sous forme de cohérence Raman



01

2


Les conditions de stockage EIT

hypothèses:

• pas d’ élargissement inhomogène

• largeur homogène = largeur naturelle



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



2 1signal tr

L

01

2

2. bande passante du signal < largeur de la fenêtre de transparence




v v1polariton noir lumière matière

c c

01

2


01

2



v v1polariton noir lumière matière

c c



2v 1

c c

la largeur de la

fenêtre de transparence

diminue

avec la vitesse de groupe


2 1tr

L



12

v

1

T L

TL

4. l’impulsion ralentie doit tenir tout entière dans le matériau

mémoire



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


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


utiliser l’élargissement inhomogène:les phénomènes d’écho

phasede la

cohérenceatomique

échode

photon

temps

(1)(2)(3)



phasede la

cohérenceatomique

échode

photon

temps

(1)(2)(3)

signal à enregistrer



phasede la

cohérenceatomique

échode

photon

temps

(1)(2)(3)


stockage



phasede la

cohérenceatomique

échode

photon

temps

(1)(2)(3)


stockage

lecturedéclenchée



phasede la

cohérenceatomique

échode

photon

temps

(1)(2)(3)


stockage

lecturedéclenchée

restitution



échode

photon


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).



échode

photon


stockage

lecturedéclenchée

restitution

• pas de « fenêtre de transparence » contrôlable• restitution incomplète à cause de l’absorption du signal


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)




absorption

élargissement inhomogène




absorption

sélection d’un grouped’atomes mono-fréquence




absorption




absorption

étalement de la distributionde fréquence par effet Starklinéaire sous l’actiond’un champ électrique externe

E

+-0




absorption

enregistrementdu signal E

+-0




absorption

évolution libredes cohérences:déphasage

E

+-0




absorption

au bout d’un temps :déclenchement de la lecturepar retournement du champ

E

-+0




absorption

E

-+0

évolution libredes cohérences:remise en phase




absorption

au bout d’un temps 2 :restitution du signal E

-+0


Chronogramme du CRIB

opacité

54%

L=2




abso

rpti

on

• durée de vie de la mémoire: 1/

• bande passante:

opacité: 0L


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


Variante: utiliser la cohérence Raman pour allonger le temps de stockage


lecturedéclenchée

restitution

EE



restitution

E


conversion en cohérence Raman

E

lecturedéclenchée

stockage



restitution

E



E

lecturedéclenchée

1 2 3 4

1,2,3 4

•la largeur du groupe spectral sélectionné ne limite plus le temps de stockage

stockage



restitution

E



E

lecturedéclenchée

stockage

1 2 3 41,2

• avec retournement spatial, le signal pourrait être intégralement restitué

43


Chronogramme du CRIBavec retournement spatial

opaci

té


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?


Stockage d’une corrélation de type « time bin »

Mach Zehnderasymétrique

laserpulsé

cristalnon-linéaire

D1

D2

D1

D2


Stockage d’une corrélation de type « time bin »

Mach Zehnderasymétrique

laserpulsé

cristalnon-linéaire

D1

D2

D1

D2

mémoire

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