3) Complex dynamics of atoms in optical networks

Information Quantique
L'information quantique regroupe toutes les disciplines alliant la théorie de l'information à la physique quantique. A l'heure actuelle, elle concerne essentiellement deux challenges: la réalisation de l'ordinateur quantique et l'utilisation de la cryptographie quantique. Ces deux thèmes n'en sont pas au même point: tandis que des expériences en grandeur nature de la cryptographie quantique ont déjà été réalisées, l'ordinateur quantique en est encore à la mise au point de son constituant élémentaire, la porte logique quantique.

La création de la thématique "Information Quantique" au PhLAM date de l'an 2000. Elle s'oriente essentiellement pour l'instant sur la confection d'une porte logique quantique (voir le projet ordinateur quantique).

a) Contexte : Faire un ordinateur quantique avec des réseaux optiques

Contexte: faire un ordinateur quantique avec des réseaux optiques

Ordinateur quantique
Le fonctionnement d’un ordinateur quantique est basé sur l’intrication de systèmes quantiques à deux états, appelés qubits.
Objectif : réaliser des opérations conditionnelles sur des qubits à l’aide de portes logiques quantiques.
Expérimentalement, on veut coupler des qubits entre eux et éviter tout phénomène de décohérence.

Réseaux optiques
Un atome placé dans un champ d’interférences laser est soumis à un potentiel lumineux qui suit les variations spatiales d’intensité.
Les atomes sont alors piégés dans les puits de potentiel = les sites du réseau.
Pour des lasers désaccordés sur le « bleu » de la transition atomique, ces sites correspondent aux zones d’intensité nulle.

 

L'un des atouts des réseaux optiques est l'existence de potentiels qui dépendent de l’état interne de l’atome avec possibilité de les faire bouger indépendamment.

Réaliser des collisions cohérentes d’atomes dans un réseau optique. Proposition de D. Jaksch, H.-J. Briegel, J.I. Cirac, C.W. Gardiner et P. Zoller “Entanglement of Atoms via Cold Controlled Collisions” Phys. Rev. Lett. 82 1975 (1999) est le déphasage dû à la collision

 

 

Collision froide = mécanisme cohérent qui provoque un déphasage contrôlé

b) Principe : utiliser les collisions contrôlées pour faire de la dynamique conditionnelle

Exemple : provoquer un déphasage si l’atome 1 est dans l’état |a> et l’atome 2 dans l’état |b>

On a alors réalisé une porte logique à 2 qubits (déphasage conditionnel, noté C-).

Conditions expérimentales requises 
> Eviter les processus de décohérence

  • par émission spontanée : travailler sur des réseaux fortement désaccordés sur le bleu
  • par collisions inélastiques : choisir des états |a> et |b> stables durant la collision 

> Remplir uniformément tous les sites du réseau pour que la collision ait lieu : Inconvénient majeur des réseaux optiques actuels

c) Idée : réaliser un réseau optique 3D avec fort taux d’occupation des sites

Le réseau de pièges annulaires.
La géométrie annulaire provient du profil transverse des faisceaux :
On superpose un faisceau creux avec un faisceau plein contrapropageant:

Interférences > potentiel lumineux U

Longitudinalement

Radialement

Les atomes sont confinés dans un potentiel tridimensionnel :

  • confinement longitudinal des atomes selon Oz, avec une périodicité de /2
  • confinement radial des atomes 
  • délocalisation des atomes dans chaque anneau, avec un mouvement orthoradial libre 

La méthode de remplissage assure un grand volume de capture

  1. On allume le faisceau creux > Les atomes sont piégés à l’intérieur du tube
  2. On allume lentement le faisceau plein > Tous les atomes sont repoussés adiabatiquement vers les parois du tube > Les atomes sont confinés dans le réseau de pièges annulaires

d) Réalisation expérimentale

Le faisceau creux est obtenu à l’aide d’un montage à deux axicons :

Ce montage permet :

  • de régler indépendamment la largeur et le rayon de l’anneau
  • de collimater l’anneau et redresser les surfaces d’onde
  • de nettoyer le faisceau avec un cache

Profil expérimental en sortie :

Topologie du potentiel lumineux :

On a ainsi confiné les atomes dans le réseau de pièges annulaires avec un fort taux d’occupation
Etape suivante : placer tous les atomes sur le niveau fondamental de vibration longitudinale et radiale par refroidissement Raman par bandes latérales

e) Vers la porte logique quantique

Polarisation « lin lin » des faisceaux du réseau optique

La position longitudinale des potentiels Ua et Ub (vus par les états |a> et |b>) dépend directement de :