Cette thèse présente des études préliminaires visant à réaliser des mémoires quantiques dans des ions de terre rare en matrice cristalline. Les mémoires quantiques sont un élément essentiel de tout processus de traitement quantique de l'information. Si les photons sont les meilleurs vecteurs pour le transport d'information, les systèmes matériels représentent les meilleurs objets quantiques pour réaliser des opérations de stockage et de traitement de l'information. Les transitions Raman sont un processus intéressant pour réaliser le couplage lumière-matière car elles sont insensibles à la décohérence par émission spontanée. Les ions de terre rare ont été choisis car ils présentent des durées de vies de cohérence relativement longues. Dans ce manuscrit, après une présentation détaillée des différents ions de terre rare et des différentes matrices cristallines, on justifie le choix de travailler sur l'ion Thulium inséré dans un cristal de YAG. On discute ensuite de la façon de créer un système à trois niveaux efficace dans ce matériau à l'aide d'un champ magnétique. On présente les résultats expérimentaux de spectroscopie de l'ion Thulium en champ magnétique qui permettent de mesurer les facteurs gyromagnétiques du Thulium. On détaille la procédure de préparation du système à trois niveaux de façon à éliminer l'effet de l'élargissement inhomogène des transitions. On décrit enfin une première opération de manipulation cohérente d'un ensemble macroscopique d'ions Thulium, en utilisant un laser ultra-stable construit au laboratoire: l'opération de transfert adiabatique de population entre deux niveaux du système, par excitation cohérente "Sécante Hyperbolique Complexe".

Nous étudions expérimentalement deux mémoires quantiques pour la lumière utilisant la transparence électromagnétiquement induite (EIT) dans des nuages froids de césium.Nous expliquons la pertinence des mémoires quantiques pour le développement de réseaux quantiques à longue distance, et décrivons la théorie de l’EIT en soulignant les paramètres essentiels pour l’implémentation de mémoires quantiques.Notre premier cas d’étude est un piège magnéto-optique en espace libre. Notre principal résultat est la démonstration du caractère multimode de ce système pour le stockage quantique de la lumière. Pour cela, nous utilisons des faisceaux de Laguerre-Gauss (LG), porteurs de moment angulaire orbital (OAM). Dans une première étape, nous avons montré que l’état de moment orbital d’impulsions lumineuses en régime de photons uniques est préservé lors du stockage dans la mémoire. Ensuite, nous avons implémenté un bit quantique comme une superposition de modes LG ayant des hélicités opposées. Nous avons développé un système original pour mesurer ces bits quantiques qui nous a permis de caractériser l’action de la mémoire. Nous avons ainsi pu montrer que le stockage quantique de ces bits quantiques.Le second système, également un nuage d’atomes froids, a la particularité que les atomes sont piégés optiquement autour d’un nano-guide d’onde. Ce design innovant permet une plus grande interaction entre lumière et matière, et facilite l’interfaçage des photons dans et hors de la mémoire. Nous décrivons la construction de ce dispositif et les premiers pas vers son utilisation en tant que mémoire quantique. / We present an experimental study of two optical quantum memory systems based on electromagnetically induced transparency (EIT) in cold cesium atoms.We explain the relevance of quantum memories for the development of large-scale quantum networks, we give a comprehensive theory of the EIT phenomenon and underline the role of relevant parameters regarding the implementation of quantum memories.The first system under study is prepared in a free-space magneto-optical trap. The main result of this thesis is the demonstration of the spatial multimode capability of this system at the quantum level. For this, we used Laguerre-Gaussian (LG) light beams, i.e. beams possessing a non-zero value of orbital angular momentum (OAM). In a first step, we showed that the orbital angular momentum of stored light pulses is preserved by the memory, deep in the single photon regime. In a second step, we encoded information in the orbital angular momentum state of a weak light pulse and defined a qubit using two LG beams of opposite helicities. We developed an original setup for the measurement of this OAM qubit and used it to characterize the action of the memory during the storage of such a light pulse. Our results show that the memory performs the quantum storage of such a qubit.The second system under study, also a cloud of cold atoms, has the specificity that the atoms are trapped optically in the vicinity of a nano-waveguide. This innovative design ensures a higher light-matter interaction and facilitates the interfacing of photons into and out of the memory. We describe the building of this setup and the first steps towards quantum memory implementations.

La communication quantique vise la génération, la distribution et le stockage de qubits afin d'établir de véritables réseaux quantiques. Le stockage cohérent, efficace et réversible d'états photoniques dans des mémoires atomiques est donc nécessaire et représente actuellement un enjeu majeur de la science de l'information quantique. Ainsi, de nombreux supports de stockage, tels que les ensembles d'atomes froids ou à l'état solide, sont envisagés afin de satisfaire au mieux les propriétés attendues d'une mémoire quantique. Les travaux présentés dans ce manuscrit s'inscrivent dans ce contexte et décrivent la réalisation expérimentale d'une mémoire basée sur le protocole DLCZ dans un ensemble d'atomes froids de 87Rb. Un dispositif de double piège magnéto-optique permet de refroidir et de confiner cet ensemble au sein d'un piège dont le temps de vie est ~15 s, et de le manipuler en vue du stockage quantique. Nous disposons ainsi d'un nuage présentant une épaisseur optique à résonance de l'ordre de 5, et dont les atomes sont refroidis à une dizaine de µK. La mise en place du protocole DLCZ dans cet ensemble atomique consiste à créer des états cohérents de la matière puis à les relire, à partir de diffusions Raman qui s'accompagnent de la génération de photons uniques corrélés en impulsion. Les premiers résultats obtenus montrent des corrélations non-classiques, affichant une violation forte de l'inégalité de Cauchy-Schwarz, pour une efficacité de lecture de l'ordre de 4% et un temps de cohérence de l'état stocké de ~800 ns. Cette mémoire, utilisée comme une source de photons uniques annoncés, fait partie d'un projet pour lequel une interface basée sur de l'optique non-linéaire / Quantum communication aims at generating, distributing and storing qubits between distant locations, in view of implementing actual quantum networks. Coherent, efficient and reversible storage of photonic states in atomic memories is thus necessary and represents a major challenge in quantum information science. Several storage medium, such as cold atomic or solid-state ensembles, are considered so as to satisfy at best the different benchmarks of a quantum memory. In this context, the work presented in this manuscript describes the experimental realization of a memory based on the DLCZ protocol in cold atomic ensemble of 87Rb. A double magneto-optical trap system allows cooling and confining this ensemble within a trap showing a lifetime of 15 s, and to manipulate it for quantum storage. This cloud shows a resonant optical thickness of about 5, and atoms are cooled down to 10 µK. The implementation of the DLCZ protocol in this atomic ensemble consists in creating coherent states of matter and then to read them, using Raman scattering events which come along with the generation of pairs of single photons correlated in momentum. First results show non-classical correlations, which exhibit a strong violation of the Cauchy-Schwarz inequality, with a read-out efficiency of about $4\%$ and a coherence time of the stored state on the order of 800 ns. This memory, used as a heralded single photon source, is part of a project in which an interface based on non-linear guided wave optics has been built and caracterized so as to convert the 795 nm single photons generated by the memory to the telecom wavelength of 1560 nm. Both elements, combined with a entangled photon source withi

Le développement considérable des signaux dans les bandes hyperfréquences (communications sans fil, radars, etc.) rend leur traitement extrêmement difficile. Il est en effet nécessaire d'analyser de larges bandes spectrales avec une grande résolution, ce que ne permettent pas les dispositifs purement électroniques. Une solution très prometteuse consiste à transposer les signaux hyperfréquences (hf) sur un laser puis à utiliser un cristal dopé par des ions de terres rares comme processeur. Cette technique tire parti des propriétés optiques exceptionnelles des ces matériaux, qui présentent des transitions à la fois extrêmement fines pour un centre unique (largeur homogène donnant la résolution spectrale) et larges pour un ensemble d'ions (largeur inhomogène donnant la bande d'analyse). Grâce à des techniques de pompage optique, ceci permet d'obtenir des bandes d'analyse de 20 GHz avec une résolution de 100 kHz, soit un rapport de 105. Ces résultats, obtenus dans des cristaux de Tm3+:Y3Al5O12, font l'objet d'études industrielles avancées, notamment en France par Thales, et auxquelles participe l'IRCP-MPOE. Le but du projet est de développer des cristaux dopés Er3+ pour une nouvelle génération d'analyseurs fonctionnant à 1.5 μm dans le but d'exploiter pleinement les technologies télécom en terme de transmission longue distance et de composants opto-électroniques. Les meilleurs cristaux actuels ne possèdent pas une largeur inhomogène suffisante pour l'application visée. Notre approche consistera à introduire un désordre chimique contrôlé, par exemple en utilisant un co-dopant, dans des monocristaux dopés Er3+ de haute qualité. Ceci permettra d'augmenter la largeur inhomogène optique mais pourrait aussi influencer la largeur homogène, point crucial pour l'analyse des signaux hf. Il s'agira de déterminer la nature et le niveau de désordre optimaux permettant d'obtenir les meilleures performances. D'une façon plus générale, ce travail permettra une compréhension approfondie des phénomènes dynamiques contrôlant la largeur homogène optique et de leur relation avec les structures cristallines. Outre l'analyse de signaux hyperfréquences, ceci pourra déboucher sur des avancées dans le traitement quantique de l'information dans le domaine télécom. / Significant progresses have been made recently on radar communications. However it is still difficult to analyse radar communications both efficiently and on a large frequency span. This is due to the fact that pure electronic processors are not able to process rapidly signals with high bandwidths. A very promising solution consists in transposing radar signals on a optical carrier (laser) and process the signals via rare-earths-doped single-crystals, which are able to interact efficiently with light. Rare-earth-ion doped crystals can have very narrow optical transitions at liquid helium temperature, making them attractive for applications in quantum information processing and advanced RF signal processing. One key property of these materials is the potential for a high ratio between the optical inhomogeneous and homogeneous linewidths. This allows signals with high bandwidth to be stored in quantum memories for a long time, or alternatively, the high resolution spectral analysis of RF signals. Er3+ is particularly interesting because it has a transition at 1.5 mm that is directly compatible with telecommunication components in existing optical fiber networks. The aim of the project is to enhance the bandwidths of those atomic processors by introducing a chemical disorder in the single crystals doped with Er3+. This will lead to an inhomogeneous broadening of the optical transitions and could also reduce the optical homogeneous linewidths, and so, increase the processing bandwidth for radar signals. For that, a better understanding of the nature of the dynamical processes acting on the optical homogeneous linewidth is needed.