Une plate-forme opto-RF dopée erbium pour le traitement de l'information-

par Benjamin Car

Projet de thèse en Milieux dilués et optique fondamentale

Sous la direction de Thierry Chaneliere.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de Ondes et Matière , en partenariat avec Laboratoire Aimé Cotton (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 03-10-2016 .


  • Résumé

    Les cristaux dopés aux ions de terre rare, bien connus comme milieu à gain pour les lasers, ont des propriétés insoupçonnées une fois refroidis à basse température. Le long temps de cohérence atomique de l'ion dopant (centaine de ms) se traduit à la fois dans le domaine temporel par un long temps de mémoire de l'excitation stockée, mais aussi dans le domaine spectral par une résolution de l'ordre du kHz très inférieure à la largeur inhomogène qui couvre plusieurs dizaines de GHz. Ce constat spectroscopique ouvre des perspectives pour le traitement optique de l'information aussi bien quantique que classique. Parmi les terres rares, l'erbium a une place à part, car sa transition optique est directement compatible avec la bande C des télécommunications (1536nm). Il est donc particulièrement attractif pour la réalisation de mémoire quantique [Heshami]. Cette adéquation directe avec la technologie télécom ouvre aussi des perspectives pour l'analyse spectrale instantanée large bande [Berger]. Pour ces deux applications, il est nécessaire de contrôler certes la transition optique, mais aussi de maîtriser le spin nucléaire ou électronique du dopant. Le basculement du spin par pompage optique permet le hole-burning spectral qui est une étape préliminaire des protocoles de mémoires quantiques mais est aussi au cœur de l'architecture d'analyse spectrale [Linget]. La structure de l'erbium n'est pas favorable au basculement optique du spin ce qui cantonne les applications dans le visible (606nm ou 580nm) ou l'infrarouge proche (793nm) avec d'autres terres rares (praséodyme, europium ou thulium). Il s'agit d'un verrou fondamental. Même si la structure de niveaux particulière de l'erbium rend inopérant un basculement optique du spin électronique, une excitation directe du spin par radio-fréquence (RF) est en revanche possible. On contrôle ainsi indépendamment la transition optique et celle du spin. Cette approche opto-RF doit permettre d'ouvrir le champ des applications pour les matériaux dopés erbium. Les enjeux sont multiples dans les domaines de l'information quantique et classique. En premier lieu, le mélange opto-RF permettra d'effectuer du hole-burning spectral efficace qui servira aussi bien dans l'étape de préparation des protocoles de mémoires quantiques que pour l'analyse spectrale instantanée. Au-delà du contrôle des populations par pompage optique, en augmentant fortement le couplage avec le champ RF, il sera possible d'exploiter directement la cohérence du spin. Cette étape permettra d'augmenter le temps stockage pour les mémoires quantiques en convertissant l'excitation optique en une excitation du spin de plus longue durée de vie. À plus long terme, l'erbium constitue une plate-forme prometteuse pour la conversion quantique opto-RF. Il sera alors nécessaire de contrôler les deux transitions au niveau d'un seul quantum optique et RF. Nous maîtrisons bien l'optique pour les applications de mémoire quantique en contournant partiellement le problème du pompage optique dans un échantillon d'Er3+:Y2SiO5 [Dajczgewand 2014, Dajczgewand 2015, thèse de Julian Dajczgewand]. L'excitation RF directe du spin électronique n'est pas évidente, car elle demande de s'approprier les techniques spécifiques de Résonance Paramagnétique Électronique (RPE). Une telle évolution doit se faire par une approche interdisciplinaire dans un cadre collaboratif. Le groupe Quantronics du CEA-SPEC est une référence dans le domaine de la RPE. Il maîtrise parfaitement les techniques d'excitation RF en environnement cryogénique. Il a aussi proposé et démontré expérimentalement plusieurs interfaces entre RF et qubit supraconducteur démontrant un contrôle au niveau d'un seul photon RF. Cette conjonction alliant des aspects techniques et des perspectives communes pour l'information quantique rend la collaboration entre les groupes du CEA-SPEC (Patrice Bertet) et du LAC (Thierry Chanelière) parfaitement opportune, chacun apportant son expertise l'un dans le domaine RF, l'autre dans le domaine optique.

  • Titre traduit

    An opto-RF erbium doped platform for information processing-


  • Résumé

    Rare-earth-ion doped cristals are well known as gain medium for lasers. When cooled-down at low temperatures, unexpected properties appear. The coherence time of the dopant ion can reach the ms range. This implies a long storage time of excitation in the temporal domain but also a good resolution in the spectral domain. The homogeneous width is typically a kHz while the inhomogenous is several tens of GHz. This spectroscopic observation opens up new perspectives for optical information-processing, both classical or quantum. Among the rare-earth, erbium takes a special place because its optical transition is directly compatible with the so-called C-band of telecommunications (1536 nm). Thus, it is particularly attractive for quantum memories realisation. Optical pumping usually causes the spin-flip needed for spectral hole-burning, which is the first step of quantum memories protocols. The internal structure of erbium does not favour the optical spin-flip. This is a fundamental lockout. However, a direct microwave excitation of the spin is possible by mixing optical spectroscopy and Electron Paramagnetic Resonance (EPR). We then control independently both optical and spin transitions. This opto-RF approach should open the field of applications for erbium-doped materials.