VERS UNE MEMOIRE QUANTIQUE AVEC DES IONS PIEGES

tel-00430795, version 1 - 9 Nov 2009
Introduction
Contexte général Au cours des années 1980, est apparu un nouveau domaine de la
physique qui tire partie des lois de la mécanique quantique pour élaborer des protocoles de
communication et de traitement de l’information complètement originaux. Si les spécificités
d’un système quantique sont difficiles à simuler par un ordinateur classique, à l’inverse, l’exploitation
de ces spécificités permet de proposer des protocoles de distribution de clef secrète
ou de calcul quantique qui sont tout simplement impossibles à mettre en œuvre si l’on ne
considère que les lois de la physique classique [1] [2].
Le domaine de l’information quantique est actuellement un champ de recherche expérimental
très actif et en particulier la communication quantique a atteint une certaine maturité technologique
[3]. La sécurité de nombreux protocoles de communication a été démontrée et des
solutions commerciales de cryptographie quantique sont d’ores et déjà disponibles. Cependant
les pertes en ligne limitent la portée de ces protocoles à une centaine de kilomètres. Pour franchir
cette limite, il a été proposé de nouveaux réseaux [4] dont la ligne principale est découpée
en sous-tronçons élémentaires. En réalisant des opérations locales comme l’émission, le stockage
et la mesure de photons, on parvient ainsi à assurer un temps de communication qui
croît suffisamment lentement avec la distance totale de communication.
L’élément clef pour assurer la bonne performance de ces répéteurs quantiques est la mémoire
quantique. Il peut s’agir d’un milieu atomique, comme une vapeur atomique ou un nuage
d’ions piégés, qui doit présenter conjointement 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.
Il existe différentes propositions de protocoles de transfert de l’état quantique, de même
qu’il existe divers supports physiques possibles pour la mémoire quantique en elle-même. Des
expériences de mémoires quantiques ont déjà été réalisées [5], [6], [7], [8] [9] et [10], dans lesquelles
le temps de stockage se situe entre quelques µs et quelques ms, les supports physiques
étant des vapeurs atomiques ou bien des ions contenus dans une maille cristalline solide.
Parmi les supports physiques possibles, les ions piégés constituent une possibilité intéressante :
dans les expériences d’information quantique avec des ions adressés individuellement, les
temps de cohérence peuvent être très importants [11]. Cette propriété est particulièrement
avantageuse pour réaliser une mémoire quantique, l’utilisation de grands ensembles d’ions
piégés alliant potentiellement un bon couplage avec la lumière et de longs temps de cohérence
[12].
Contexte au sein de l’équipe Cette thèse s’intègre dans un projet de recherche
expérimental dont l’objectif est la réalisation d’une mémoire quantique basée sur un grand
nuage d’ions piégés. Elle a été réalisée au sein de l’équipe Ions Piégés et Information Quantique
dont l’axe de recherche tant théorique qu’expérimental est l’utilisation de ce milieu atomique