Vers l'enregistrement d'un signal quantique dans des ions de terre rare en matrice cristalline
Résumé
This thesis relates to preliminary studies aiming to achieve quantum memories in rare earth ions doped inorganic crystals. Quantum memories are an essential element of any quantum information process. If photons are the best vectors for information transport, materials systems represent the best quantum objects to achieve inforrmation storage and manipulation. As they are insensitive to decoherence by spontaneous emission, Raman transitions are an interesting process to realize the light-matter coupling. Rare earth ions have been chosen because they exhibit relatively long coherence lifetime. In this thesis, after a detailed presentation of the different rare earth ions and the different crystals, we justify the choice of working on Thulium ions embeded in a YAG crystal. We then discuss on the possibility to create an efficient three-level system in this material with the help of an external magnetic field. We present the experimentals results of spectroscopy of Thulium ion in a magnetic field, that allow the measurement of the Thulium gyromagnetic factors. We present the three-level system preparation procedure, aiming to eliminate the transitions inhomogeneous broadening. We describe a first coherent manipulation process of a thulium ions macroscopic ensemble, with the help of an ultra-stable laser built in the lab: the population adiabatic transfer between two levels of the system, using the "Complex Hyperbolic Secant" excitation procedure.
Cette thèse présente des études préliminaires visant à réaliser des mémoires quantiques dans des ions de terre rare en matrice cristalline. Les mémoires quantiques sont un élément essentiel de tout processus de traitement quantique de l'information. Si les photons sont les meilleurs vecteurs pour le transport d'information, les systèmes matériels représentent les meilleurs objets quantiques pour réaliser des opérations de stockage et de traitement de l'information. Les transitions Raman sont un processus intéressant pour réaliser le couplage lumière-matière car elles sont insensibles à la décohérence par émission spontanée. Les ions de terre rare ont été choisis car ils présentent des durées de vies de cohérence relativement longues. Dans ce manuscrit, après une présentation détaillée des différents ions de terre rare et des différentes matrices cristallines, on justifie le choix de travailler sur l'ion Thulium inséré dans un cristal de YAG. On discute ensuite de la façon de créer un système à trois niveaux efficace dans ce matériau à l'aide d'un champ magnétique. On présente les résultats expérimentaux de spectroscopie de l'ion Thulium en champ magnétique qui permettent de mesurer les facteurs gyromagnétiques du Thulium. On détaille la procédure de préparation du système à trois niveaux de façon à éliminer l'effet de l'élargissement inhomogène des transitions. On décrit enfin une première opération de manipulation cohérente d'un ensemble macroscopique d'ions Thulium, en utilisant un laser ultra-stable construit au laboratoire: l'opération de transfert adiabatique de population entre deux niveaux du système, par excitation cohérente "Sécante Hyperbolique Complexe".
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