VERS UNE MEMOIRE QUANTIQUE AVEC DES IONS PIEGES

tel-00430795, version 1 - 9 Nov 2009
Résumé :
Le domaine de l’information quantique tire partie des lois de la mécanique quantique pour
élaborer des protocoles de traitement de l’information originaux. Des réseaux qui transportent
ce type d’information ont déjà été démontrés mais leur portée est cependant limitée à une
centaine de kilomètres à cause des pertes en ligne. Pour franchir cette limite l’élément clef
à développer est une mémoire quantique, c’est à dire un milieu atomique capable de stocker
un état quantique et dont les performances reposent conjointement sur un excellent couplage
avec la lumière (pour les phases d’écriture ou de lecture) et un temps de cohérence important
(pour la phase de stockage). Les ions piégés constituent un candidat intéressant pour
l’implémentation d’une mémoire quantique, notamment car ils peuvent présenter d’excellentes
propriétés d’isolation par rapport à leur environnement. La difficulté à réaliser une mémoire
quantique avec des ions piégés tient en particulier à l’obtention d’un couplage important entre
l’ensemble d’ions et la lumière, c’est à dire l’obtention d’un nuage atomique le plus dense et
froid possible. Durant le travail de thèse, nous avons développé un ensemble expérimental
capable de confiner, refroidir et observer plusieurs millions d’ions. Une méthode originale de
chargement du piège fondée sur l’absorption simultanée de deux photons a été développée,
nous permettant de limiter l’énergie initiale d’un ion et la pollution de l’environnement d’un
tel nuage. Un piège de Paul linéaire de dimensions centimétriques a été dessiné et fabriqué
au laboratoire pour confiner les ions et faciliter le régime de très faible température. En utilisant
une technique de refroidissement laser, nous avons atteint ce régime dans lequel les
ions adoptent une structure spatiale périodique, le cristal de Wigner. Cette structure a été
observée dans des chaînes contenant quelques ions et dans des nuages dont la population
dépasse le million. Les paramètres pertinents qui gouvernent la densité et la stabilité de ces
cristaux ont été identifiés. Ces travaux sont une étape très encourageante pour l’obtention
d’un couplage important entre les ions et la lumière, et la mise en oeuvre d’un protocole de
mémoire quantique.
Mots Clefs :
atomes froids, chaîne d’ions, cristal de Wigner, cristal d’ions, ions froids, ions piégés, mémoire
quantique, photoionisation, piège de Paul linéaire, refroidissement laser.