La nécessité de synchroniser les différentes étapes des protocoles d’information et de communication quantiques implique l’utilisation de mémoires quantiques. Différents systèmes physiques sont aujourd’hui explorés, parmi lesquels les ions en matrice cristalline, les atomes froids et les vapeurs atomiques. Le protocole de stockage le plus couramment utilisé se fonde sur le phénomène de Transparence Electromagnétiquement Induite (EIT) : une impulsion lumineuse est gravée dans la cohérence Raman entre les deux états fondamentaux d’un système atomique à trois niveaux en Lambda. Bien qu’elle ouvre des perspectives prometteuses, en termes d’efficacité, de fidélité et de temps de stockage, cette technique est néanmoins sensible aux effets déphasants, tels que des gradients de champs magnétiques.Dans ce mémoire, j’étudie tout d’abord le stockage d’impulsions lumineuses classiques par EIT dans une vapeur d’hélium métastable à température ambiante. Les résultats expérimentaux obtenus sont en accord avec les simulations numériques des équations de Maxwell-Bloch complètes du système et montrent notamment l’existence d’une phase supplémentaire acquise par l’impulsion restituée en configuration désaccordée. Cette phase s’explique par la propagation du faisceau sonde dans un milieu dispersif. Dans une deuxième partie, je mets expérimentalement en évidence, dans le même système, une nouvelle forme de stockage basée sur le phénomène d’Oscillations Cohérentes de Population (CPO), par nature plus robuste aux effets déphasants que l’EIT. Les simulations numériques permettent d’analyser plus précisément les mécanismes à l’œuvre dans une mémoire CPO et, notamment, l’influence de la phase relative entre les faisceaux signal et de couplage sur les efficacités de stockage. / The need to synchronise quantum information and communication protocols implies the use of quantum memories. Different physical systems are investigated nowadays, among which ions in crystals, cold atoms and atomic vapours. The most common protocol is based on the Electromagnetically Induced Transparency (EIT) phenomenon: a light pulse is engraved in the Raman coherence of both ground states of an atomic Lambda–type three-level system. Though it opens promising perspectives, with respect to efficiency, fidelity and storage time, this technique is, however, sensitive to dephasing effects such as magnetic field gradients.In this thesis, I first study the storage of classical light pulses via EIT in a room- temperature metastable helium vapor. The obtained experimental results agree with the numerical simulation of the complete Maxwell-Bloch equations of the system. In particular, the existence of an extra phase acquired by the retrieved pulse is demonstrated in the detuned configuration, which can be explained by the propagation of the signal beam in the medium. In the second part, I experimentally isolate, in the same system, a new storage protocol based on the Coherent Population Oscillation (CPO) phenomenon, which is by nature more robust than EIT to dephasing effects. The numerical simulations allow us to precisely analyse the mechanisms involved in a CPO memory and, in particular, the influence of the relative phase between the signal and coupling beams on the storage efficiencies.

Cette thèse de doctorat en co-tutelle a été centrée sur des expériences d’optique quantique faisant intervenir de grands ensembles atomiques. L’étude de l’interaction entre la lumière et la matière et l’augmentation de leur couplage dans ces systèmes sont des étapes fondamentales pour le développement et l’amélioration de protocoles de génération, de stockage et de manipulation d’information quantique. Le travail de thèse exposé ici traite en particulier de l’évolution des techniques de préparation d’ensembles atomiques denses, des protocoles de lumière arrêtée et de lumière stationnaire développés et étudiés expérimentalement. Les ensembles d’atomes froids préparés par refroidissement laser dans les deux réalisations expérimentales ont été portés jusqu’à des épaisseurs optiques de plusieurs centaines, à des températures d’une dizaine de microkelvin. De plus, l’adressage de ces ensembles dans des configurations symétriques ont permis l’étude de protocoles basés sur le renversement temporel de la conversion de lumière en excitations atomiques collectives. Ces améliorations ont mené au stockage de bits quantiques par transparence induite électromagnétiquement, et de lumière cohérente par symétrie temporelle dans une mémoire Raman, tous deux à des record d’efficacité, à de plus de 50%. Ce travail a également conduit à l’étude expérimentale de la lumière stationnaire et de nouveaux protocoles en découlant. / This cotutelle PhD thesis revolves around quantum optics experiments which involve large atomic ensembles. The study of light-matter interaction and its enhancement are crucial steps in the development and progress of quantum information generation, storage and processing protocols. The work presented here focuses on the evolution of large atomic ensemble preparation techniques, on the development and experimental investigation of stopped and stationary light protocols. Laser-cooled atomic ensembles in both experimental realisations have been brought to optical depths of a few hundreds, at temperatures of tens of microkelvin. Moreover, addressing these ensembles in symmetric configurations has enabled the study of protocols based on the temporal reversal of the mapping of light to collective atomic excitations. These enhancements have led to the storage of qubits based on electromagnetically-induced transparency, and the optical storage in a backward-retrieval Raman scheme, both demonstrating efficiency records, above 50%. This work has also led to the experimental investigation of stationary light and new protocols based on it.

La plupart des protocoles de stockage quantique de l'information reposent sur l'enregistrement d'un signal lumineux dans une superposition d'états de longue durée de vie. L'élément clé pour réaliser un tel enregistrement est un système atomique à 3 niveaux en Lambda, où deux sous-niveaux fondamentaux sont couplés optiquement à un même niveau supérieur. L'excitation optique est alors stockée dans une superposition des deux sous-niveaux fondamentaux. Les cristaux dopés aux ions de terre rare sont des candidats prometteurs pour ces applications, car ils présentent des durées de vie des cohérences optiques et hyperfines particulièrement longues. Cette thèse est consacrée à l'étude de l'ion thulium, un ion de terre rare non-Kramers, comme alternative aux ions Pr et Eu qui ont longtemps été considérés comme étant les seuls candidats possibles pour la réalisation d'une mémoire quantique. Grâce à son spin nucléaire 1/2, le thulium présente une structure de sous-niveaux Zeeman nucléaires particulièrement simple, dont l'espacement peut être aisément contrôlé à l'aide d'un champ magnétique externe. De plus, la longueur d'onde d'absorption du thulium à 793 nm est accessible aux lasers à semi-conducteurs qui peuvent être facilement stabilisés en dessous du kHz. Au cours de cette thèse, nous avons construit un système à 3 niveaux en Lambda dans le Tm:YAG. Nous avons également mis en oeuvre des processus cohérents permettant de manipuler optiquement un état de superposition de spin nucléaire, comme les échos Raman et le STIRAP. L'ensemble des résultats obtenus montrent que le thulium est un bon candidat pour la démonstration de certains protocoles de mémoire quantique.

De nombreux laboratoires travaillent à la mise au point de mémoires quantiques, élément clef des systèmes d'information quantique de l'avenir. Les mémoires quantiques pour la lumière devraient en particulier jouer un rôle important dans les réseaux de télécommunications quantiques à grande distance. Constituée d'un ensemble d'atomes sur lequel on transpose l'état du signal lumineux, la mémoire doit être capable de sauvegarder cet état pendant un temps suffisamment long, puis de le restituer avec efficacité et fidélité. A ce jour, l'effort a surtout porté sur des protocoles liés à la Transparence Induite Electromagnétiquement (EIT), mis en oeuvre dans des nuages d'atomes refroidis par laser. Mon travail porte sur un système alternatif, les ions de terres rares en matrice cristalline (TRMC). Ces matériaux offrent une immobilité plus grande que les atomes froids. Par ailleurs, la durée de vie des états de superposition quantique, porteur de l'information stockée, y est très longue à basse température. L'élargissement inhomogène des transitions optiques distingue cependant nettement les TRMC des atomes refroidis par laser. Tirant parti de cette caractéristique, je propose un protocole de stockage original que j'explore sur le plan théorique et expérimental.

La réalisation d'une mémoire quantique pour la lumière met en jeu les aspects les plus fondamentaux de l'interaction matière-rayonnement. Pour capturer l'information quantique portée par la lumière, le matériau doit être capable de se maintenir dans un état de superposition quantique. Le temps de stockage est limité par la durée de vie de cet état, caractérisée par le temps de cohérence. Les premières expériences ont été réalisées dans des vapeurs atomiques froides, bien connues. Plus récemment, les ions de terres rares en matrice cristalline (REIC) ont attiré l'attention par leurs long temps de cohérence, associés à de larges bandes passantes d'interaction. Pour exploiter ces bonnes propriétés, des protocoles spécifiques ont été proposés. Nous nous sommes tournés vers un dérivé prometteur de l'écho de photon, le Peigne Atomique de Fréquences (AFC, proposé en 2008), fondé sur la transmission du champ incident à travers un profil d'absorption spectralement périodique. Les premiers chapitres de ce manuscrit présentent ce protocole et les travaux effectués durant cette thèse pour en améliorer l'efficacité (i.e. la probabilité de capter et de restituer l'information incidente), en augmenter la bande passante et la capacité de multiplexage et en mesurer le bruit. Les chapitres suivants présentent un nouveau protocole, proposé dans notre groupe durant cette thèse, et baptisé ROSE (Revival Of Silenced Echo). Ce protocole, très proche de l'écho de photon, a été démontré et caractérisé expérimentalement. Il semble très prometteur en termes d'efficacité, de bande passante et de bruit.

Les ions de terres rares en matrice cristalline, refroidis à très basse température, offrent des propriétés remarquables pour le traitement analogique du signal sur porteuse optique. L'élargissement inhomogène du spectre d'absorption peut en effet atteindre plusieurs centaines de gigahertz alors que la largeur homogène des raies d'absorption des ions individuels ne dépasse pas quelques kilohertz. Par pompage optique il est alors possible de modifier à volonté le profil du spectre d'absorption. On dispose ainsi d'un filtre programmable présentant à la fois une très grande bande passante, donnée par la largeur inhomogène, et une excellente résolution, fixée par la largeur homogène. Une raie d'absorption étroite correspond à un état de superposition quantique de longue durée de vie. C'est sous cet angle, celui des transitoires cohérents, et spécifiquement celui des échos de photons que nous abordons les propriétés du filtre programmable. Dans la première partie de la thèse, le filtre est programmé comme un élément dispersif. Il permet d'atteindre des taux de dispersion inaccessibles aux dispositifs optiques conventionnels, tels que les fibres optiques. Nous l'utilisons comme un composant de lentille temporelle, en vue de produire des signaux de forme arbitraire. Par rapport à des dispositifs d'optique conventionnels, on gagne plusieurs ordres de grandeurs en termes de produit temps x bande passante. Après avoir exploité l'écho de photon dans un contexte de filtrage linéaire, nous tirons parti de ses propriétés de très forte non-linéarité dans la seconde partie de la thèse. Cette fois nous cherchons à capturer un signal lumineux de très faible intensité, à le convertir en état de superposition atomique, puis à le restituer dans son état lumineux initial. Cela suppose en particulier d'empêcher les effets d'émission spontanée ou stimulé qui nuisent à la fidélité de la restitution. Pour ce faire, nous proposons un nouveau protocole que nous avons appelé " Revival Of Silenced Echo " (ROSE)

Revue des protocoles de stockage quantique; Traitement classique de l'information sur porteuse optique; Comprendre les matériaux et leur interaction avec la lumière.

Cette thèse a consisté à mettre en place une nouvelle expérience utilisant des atomes froids en interaction avec la lumière guidée par une nanofibre optique. Nous avons tout d'abord développé un banc de fabrication de nanofibres. En chauffant et étirant une fibre optique commerciale, on obtient un cylindre de silice de 400 nm de diamètre. La lumière guidée dans ces nanofibres est fortement focalisée sur toute la longueur de la fibre et exhibe de forts champs évanescents, ce qui permet d'obtenir une grande profondeur optique avec un faible nombre d'atomes. Après avoir inséré une nanofibre au milieu d'un nuage d'atomes, nous avons observé le phénomène de lumière lente dans les conditions de transparence électromagnétiquement induite. Nous avons aussi stoppé la lumière guidée et mémorisé l'information qu'elle contenait. Nous avons montré que ce protocole de mémoire optique fonctionne pour des impulsions lumineuses contenant moins d'un photon en moyenne. Ce système pourra donc être utilisé comme une mémoire quantique, un outil essentiel pour les futurs réseaux de communication quantique. Enfin, nous avons piégé les atomes dans un réseau optique au voisinage de la nanofibre grâce à de la lumière guidée par celle-ci. Par rapport à notre première série d'expériences, le nuage ainsi obtenu a un temps de vie plus long (25 ms) et interagit plus fortement avec la lumière guidée (OD ~ 100). Ce nouveau système devrait permettre d'implémenter efficacement d'autres protocoles d'optique quantique, comme la génération de photons uniques et l'intrication de deux ensembles atomiques distants. / We built a new experiment using cold atoms interacting with the light guided by an optical nanofiber. We first developed a nanofiber manufacturing bench. By heating and stretching a commercial optical fiber, a silica cylinder of 400 nm diameter is obtained. The light guided in these nanofibers is strongly focused over the whole length and exhibits strong evanescent fields. We then prepared a vacuum chamber and the laser system necessary for the manipulation of cold atoms. After inserting a nanofiber amid a cloud of cold atoms, we observed the phenomenon of slow light under the conditions of electromagnetically induced transparency: the light guided by the fiber is slowed down to a speed 3000 times smaller than its usual speed. We also stored the light guided by an optical fiber. After several microseconds, the information stored as a collective atomic excitation could be retrieved in the fiber. We have shown that this optical memory works for light pulses containing less than one photon on average. This system may therefore be used as a quantum memory, an essential tool for future quantum communication networks. Finally, we trapped atoms in an array in the vicinity of the nanofiber thanks to the light guided by the latter. Compared to our first set of experiments, the resulting cloud has a longer lifetime (25 ms) and interacts more strongly with the guided light (OD ~ 100). This new system should allow to efficiently implement other quantum optics protocols, such as the generation of single photons, or the entanglement of two remote atomic ensembles.

Cette thèse porte sur la réalisation d'un processeur quantique hybride, dans lequel les degrés de liberté collectifs d'un ensemble de spins sont utilisés comme une mémoire quantique multimode pour les qubits supraconducteurs. Nous concevons un protocole capable de stocker et de récupérer à la demande les états d'un grand nombre de qubits dans un ensemble de spin et nous démontrons les briques de bases des opérations mémoires avec des centres NV dans le diamant. Le protocole repose sur le couplage des spins à un résonateur à fréquence et facteur de qualité accordable. Les états quantiques sont écrits par absorption résonante d'un photon micro-ondes dans l'ensemble de spins, et lus par application d'une séquence d'impulsions aux spins. L'étape d'écriture du protocole est démontrée dans une première expérience dans laquelle sont intégrés sur la même puce un qubit supraconducteur, un résonateur à fréquence accordable, et l'ensemble de spins. Les états du qubit sont stockés dans les spins via le résonateur. Après le stockage, l'état quantique collectif qui en résulte est rapidement déphasé en raison de l'élargissement inhomogène de l'ensemble et une séquence de refocalisation doit être appliquée sur les spins pour déclencher la réémission collective comme un écho de l'état quantique initialement absorbé. Dans une seconde expérience, nous démontrons une brique de base importante de cette opération de lecture, qui consiste à récupérer de multiples impulsions micro-ondes classiques au niveau du photon unique en utilisant des techniques d’écho de Hahn. Enfin, le repompage optique des spins est implémenté afin de réinitialiser la mémoire entre deux séquences successives. / This thesis work discusses the development of a hybrid quantum processor, in which collective degrees of freedom of an ensemble of spins are used as a multimode quantum memory for superconducting qubits. We design a memory protocol able to store and retrieve on demand the state of a large number of qubits in a spin ensemble and we demonstrate building blocks of its operations with NV centers in diamond. The protocol relies on the coupling of the NV ensemble to a resonator with tunable frequency and quality factor. Incoming quantum states are written by resonant absorption of a microwave photon in the spin ensemble, and then read out of the memory by applying a sequence of control pulses to the spins and to the resonator. The write step of the protocol is demonstrated in a first experiment by integrating on the same chip a superconducting qubit, a resonator with tunable frequency, and the NV ensemble. Arbitrary qubit states are stored into the spin ensemble via the resonator. After storage, the resulting collective quantum state is rapidly dephased due to inhomogeneous broadening of the ensemble and a refocusing sequence must be applied on the spins to bring them to return in phase and to re-emit collectively the quantum state initially absorbed as an echo. In a second experiment, we demonstrate an important building block of this read-out operation, which consists in retrieving multiple classical microwave pulses down to the single photon level using Hahn echo refocusing techniques. Finally, optical repumping of the spin ensemble is implemented in order to reset the memory in-between two successive sequences.

La réalisation d’une mémoire quantique pour la lumière met en jeu les aspects les plus fondamentaux de l’interaction matière-rayonnement. Pour capturer l’information quantique portée par la lumière, le matériau doit être capable de se maintenir dans un état de superposition quantique. Le temps de stockage est limité par la durée de vie de cet état, caractérisée par le temps de cohérence. Les premières expériences ont été réalisées dans des vapeurs atomiques froides, bien connues. Plus récemment, les ions de terres rares en matrice cristalline (REIC) ont attiré l’attention par leurs long temps de cohérence, associés à de larges bandes passantes d’interaction. Pour exploiter ces bonnes propriétés, des protocoles spécifiques ont été proposés. Nous nous sommes tournés vers un dérivé prometteur de l’écho de photon, le Peigne Atomique de Fréquences (AFC, proposé en 2008), fondé sur la transmission du champ incident à travers un profil d’absorption spectralement périodique. Les premiers chapitres de ce manuscrit présentent ce protocole et les travaux effectués durant cette thèse pour en améliorer l’efficacité (i.e. la probabilité de capter et de restituer l’information incidente), en augmenter la bande passante et la capacité de multiplexage et en mesurer le bruit. Les chapitres suivants présentent un nouveau protocole, proposé dans notre groupe durant cette thèse, et baptisé ROSE (Revival Of Silenced Echo). Ce protocole, très proche de l’écho de photon, a été démontré et caractérisé expérimentalement. Il semble très prometteur en termes d’efficacité, de bande passante et de bruit. / The development of a quantum memory for light involves the most fundamental aspects of the light-matter interaction. To store the quantum information carried by light, the material has to be able to stay in a state of quantum superposition. The storage time is limited by the lifetime of this state, characterized by the coherence time. The first experiments involved the well-known cold atomic vapors. More recently, Rare Earth Ions doped Crystals (REIC) have drawn attention because of their remarkably long coherence time, combined with a large interaction bandwidth. Specific protocols have been proposed to take the most out of these properties. We have opted for a promising spin-off of the well-known photon echo, named the Atomic Frequency Comb (AFC, proposed in 2008), based on the transmission of the incoming field through a spectrally periodic absorption profile. The first chapters of this manuscript present this protocol and our works aimed at improving its efficiency (the probability for capturing and retrieving the incoming information), increasing its bandwidth and its multiplexing capacity and measuring its noise. The following chapters present a new protocol, proposed in our group during this thesis, and called Revival Of Silenced Echo (ROSE). This protocol, similar to the photon echo, have been demonstrated and characterized experimentally. It seems really promising in terms of efficiency, bandwidth and noise.