Mémoire quantique avec un ensemble atomique

1. Mémoire quantique avec un ensemble atomique Thierry CHANELIÈRE IRCOQ, 2 Nov 06

2. Mémoire quantique ? • Mémoire atomique: • Définir superpositions 2 états • Long temps de cohérence (mémoire) • Interface qubit «statique» / qubit «volant»: stocker et relire – échange cohérent • Stocker sans relire: • Computing • Mesure • Relire sans stocker: • Préparation de la mémoire puis relecture • Mémoire probabiliste: Protocole DLCZ - Nature, 414, 413 (2001)

3. Stockage quantique et mémoire quantique • Stockage de champ lumineux non-classique • Mémoire atomique = stockage de qubits Et si on stocke un photon que l’on utilise comme qubit ?

4. Qubits «volants» et «statiques» • Qubits «volants»: Photons codés en polarisation Var. discrètes • Qubits «statiques»: Atomes • Bien isolés ~ longs temps de cohérence • Atome unique comme qubit (naturel) ± cavité QED : Tour de force expérimental (couplage ?) • Ensemble atomique: excellent couplage mais description délicate (Superradiance) MOT Rb85 (D1-line, 795nm)

5. The team In collaboration with Theory: Experiment: Michael S. Chapman T.A. Brian Kennedy Alex Kuzmich Graduate Students Postdoc: Sponsors: Sloan Foundation NSF - NASA - ONR TC Stewart Jenkins Austin Collins Graduate Students Dzmitry Matsukevich Shau-Yu Lan Corey Campbell Ran Zhao Undergraduate Tamar Neumann David McCann Aaron Boyd www.physics.gatech.edu/qoptics/

6. Inspirée de la thèse de D. Braje (Harris) EIT - «Lumière arrêtée» Contrôler la transparence par un champ de couplage. Dark-State Polaritons in Electromagnetically Induced Transparency M. Fleischhauer & M. Lukin, Phys. Rev. Lett. 84, 5094 (2000) Storage of Light in Atomic Vapor, Phillips et al., Phys. Rev. Lett. 86, 783 (2001) Observation of coherent optical information storage in an atomic medium using halted light pulses, Liu C et al., Nature, 409, 490 (2001)

7. Couplage W signal signal couplage Transparence induite - EIT • Contrôler la transparence par un champ de couplage (effet NL) • Système en L M. Fleischhauer & M. Lukin, Phys. Rev. Lett. 84, 5094 (2000)

8. S couplage S «lumière arrêtée» en pratique «lumière arrêtée»= EIT + STIRAPs on on

9. SOURCE I S Une source de photons uniques • Vide comprimé (paires) produit par un ensemble source (FWM dans un MOT – Harris 2005)

10. I S SOURCE S S Couplage Stockage de photons uniques «lumière arrêtée» Résultats prometteurs chez Lukin: Eisaman et al., Nature 438, 837 (2005)

11. Stockage de photons uniques / mémoire quantique • Stockage de photons uniques: Storage and retrieval of single photons transmitted between remote quantum memories T. Chanelière et al., Nature, 438, 833 (2005). • Temps de cohérence de 11ms (en 2005) • Limité par le champ magnétique AC • www.physics.gatech.edu/qoptics/ • Efficacité: 6% • Mémoire quantique ?

12. F=2 F=3 Qubit en polarisation • Photons: Ok • Atomes:

13. F=2 0 EIT et Polarisation • Ens polarisé • Stockage possible de deux polarisations  • Ens non-polarisé: • Etat atomique initial • Polarisation couplage-signal 0 F=3 0 F=3 ? ?

14. -1 +1 -2 0 h 0 -1 +1 -2 0 v 0

15. Polarisation couplage-signal • Ensemble non-polarisé Transparence imparfaite pour 0 F=3 F=2 0 0 F=3

16. I S S Couplage Stockage d’un qubit en polarisation • Ensemble polarisé • Faiblement polarisé • En réalité, on vérifie l’intrication en polarisation I & (S après stockage) Entanglement of remote atomic qubits, D. N. Matsukevich et al. PRL., 96, 030405 (2006). m=0

17. Mémoires modernes - conclusion • Stockage imparfait (efficacité & modification) • Mais quantique ! Mémoire quantique 1 qubit lifetime - dizaines de microsecondes Prix >> $248 Manufactured by Georgia Tech Mémoire classique 8589934592 bits Prix: $248 Manufactured by Samsung www.physics.gatech.edu/qoptics/