Optical memory in an erbium doped crystal : efficiency, bandwidth and noise studies for quantum memory applications

par Julian Dajczgewand

Thèse de doctorat en Physique quantique

Sous la direction de Thierry Chanelière.

Soutenue le 10-12-2015

à l'Université Paris-Saclay (ComUE) , dans le cadre de École doctorale Ondes et Matière (Orsay, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec Laboratoire Aimé Cotton (Orsay, Essonne ; 1927-....) (laboratoire) et de Université Paris-Sud (1970-2019) (établissement opérateur d'inscription) .

Le président du jury était Arne Keller.

Le jury était composé de Thierry Chanelière, Arne Keller, Nicolas Sangouard, Patrice Bertet, Mohamed-Aziz Bouchene.

Les rapporteurs étaient Nicolas Sangouard, Patrice Bertet.

  • Titre traduit

    Mémoire optique dans un cristal dopé erbium : efficacité, bande passante et analyse du bruit pour les applications de mémoire quantique


  • Résumé

    Le traitement quantique de l’information comme moyen de surmonter les limites de l’électronique classique a connu un développement rapide dans les deux dernières décennies. Plusieurs composants pour générer, traiter et envoyer l’information quantique sont nécessaires. Dans ce contexte, les mémoires quantiques optiques apparaissent comme des composantes principales capables de communiquer l’information quantique sur de longues distances en surmontant les pertes des fibres optiques dans un schéma de répéteur quantique. Durant la dernière décennie, plusieurs protocoles de stockage pour stocker l’information quantique ont été proposés et testés. Dans cette thèse, je présente le protocole Revival of Silenced Echo (ROSE) et sa réalisation dans un cristal Er3+:Y2SiO5. Ce matériau est un bon candidat pour une mémoire quantique grâce à sa transition dans la bande C des télécommunications où les pertes dans les fibres optiques sont minimales. Dans ce travail, j’évalue les performances du ROSE avec des impulsions faibles classiques. Je mesure l’efficacité, la bande passante et le temps de stockage qui sont des figures de mérite typiques d’une mémoire quantique optique. Pour une bande passante fixe, je démontre expérimentalement une bonne efficacité. En outre, je mesure la dépendance de la bande passante du protocole. Pour cette dernière les interactions dipôle-dipôle entre les ions d’erbium apparaît comme un facteur limitant. Enfin, je réalise le protocole ROSE avec quelques photons par impulsion afin d’évaluer son potentiel comme mémoire quantique. Je démontre une bonne efficacité avec un rapport signal sur bruit modéré. Je termine ce travail par une série de mesures dans des matériaux nouveaux (co-dopé ou dopé avec de l’erbium), pour augmenter la bande-passante de traitement d’échantillons dopés Er compatible avec les longueurs d’onde des télécommunications.


  • Résumé

    Quantum information processing has been developing rapidly in the last two decades as a way to overcome the limitations of classical electronics. Several components to generate, process and send quantum information are needed. In this context, optical quantum memories appear as principal components to communicate quantum information at long distances by overcoming the losses of the optical fibers in the so-called quantum repeater scheme. During the last decade several storage protocols to store quantum information have been proposed and tested. In this thesis, I present the Revival of Silenced Echo (ROSE) protocol implemented in an Er3+:Y2SiO5 crystal. This material is a good candidate for a quantum memory because of its transition in the C-band of the telecom wavelengths where the losses in optical fibers are minimized. In this work, I evaluate the ROSE performances with weak classical pulses. I measure efficiency, bandwidth and storage time which are the typical figures of merit for an optical quantum memory. Starting with a fixed bandwidth, I demonstrate experimentally a good efficiency. Additionally, I measure the bandwidth dependence of the protocol. For this latter, the dipole-dipole interactions between erbium ions appears as limiting factors. Finally, I implement the ROSE protocol with a few photons per pulse to show its potential as a quantum memory. I report good efficiencies with a moderate signal to noise ratio.I finish this work with a series of measurements in new materials (doped or codoped with erbium), to extend the processing bandwidth of Er doped samples compatible the telecom wavelength range.


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