On sait désormais stocker les photons pendant une minute

15/11/2013
Auteurs :
Publication eREE
OAI : oai:www.see.asso.fr:14389:5305
DOI :

Résumé

On sait désormais stocker les photons pendant une minute

Auteurs

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La RATP se met au vert
Autoconsommation : le débat ne fait que commencer
Un mix gazier 100 % renouvelable en 2050 : peut-on y croire ?
La fiscalité du carbone se renforce
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Eoliennes flottantes : deux inaugurations importantes mais beaucoup d’incertitudes demeurent
Vers un cluster de l’hydrogène dans la région de Liverpool-Manchester
Les batteries Li-ion pour l’automobile : un marché en pleine évolution
Mobileye et le Road Experience Management (REMTM)
La cyber-sécurité dans les systèmes d'automatisme et de contrôle de procédé
Les applications industrielles et scientifiques des logiciels libres : aperçu général
Les applications industrielles des logiciels. libres
Les applications industrielles des logiciels libres (2ème partie)
L'identification par radiofréquence (RFID) Techniques et perspectives
La cyber-sécurité des automatismes et des systèmes de contrôle de procédé. Le standard ISA-99
Êtes-vous un « maker » ?
Entretien avec Bernard Salha
- TensorFlow, un simple outil de plus ou une révolution pour l’intelligence artificielle ?
Donald Trump annonce que les Etats-Unis se retirent de le l’accord de Paris
L’énergie et les données
Consommer de l’électricité serait-il devenu un péché ?
Un nouveau regard sur la conjecture de Riemann – Philippe Riot, Alain Le Méhauté
Faut-il donner aux autorités chargées du respect de la loi l’accès aux données chiffrées ?
Cybersécurité de l’Internet des objets : même les ampoules connectées pourraient être attaquées
L’Internet des objets - Deux technologies clés : les réseaux de communication et les protocoles (Partie 2)
ISA L’évolution des normes et des modèles
FIEEC - SEE - Présentation SEE et REE - mars 2014
Les radiocommunications à ondes millimétriques arrivent à maturité
L’Internet des objets - Deux technologies clés : les réseaux de communication et les protocoles (Partie 1)
Internet des objets : l’ARCEP et l’ANFR mettent à la consultation l’utilisation de nouvelles bandes de fréquence autour de 900 MHz
L’énergie positive
Controverses sur le chiffrement : Shannon aurait eu son mot à dire
La cyberattaque contre les réseaux électriques ukrainiens du 23 décembre 2015
Le démantèlement des installations nucléaires
L’Accord de Paris
Les data centers
L’hydrogène
Le piégeage et la récolte de l’énergie. L’energy harvesting
Régalez-vous, c’est autant que les Prussiens n’auront pas...
Le kWh mal traité Deuxième partie : le contenu en CO2 du kWh
Le kWh mal traité
Enova2014 - Le technorama de la REE
Les grands projets solaires du pourtour méditerranéen
Après Fukushima, le nucléaire en question ?
On sait désormais stocker les photons pendant une minute
Identification d’objet par imagerie fantôme utilisant le moment orbital angulaire
La découverte du boson de Higgs, si elle est avérée, confirmera le modèle standard
Multiplexage par moment angulaire orbital : mythe ou réalité ?
Supercalculateur quantique: le choix de la supraconductivité
Photovoltaïque : la course au rendement se poursuit
Production d’hydrogène par photolyse de l’eau assistée par résonance plasmon
Vers une meilleure compréhension du bruit de scintillation
Les nombres premiers en première ligne
La nouvelle révolution des moteurs électriques
Les cyber-attaques, un risque pour nos grandes infrastructures ?
Le stockage de l’électricité
Le véhicule électrique (2) : comment donner corps à la transition énergétique ?
L'automatisation des transports publics
Les technologies nouvelles de l’éclairage : leur impact sur l'environnement et la santé
Les énergies marines renouvelables
Le véhicule électrique : une grande cause nationale
Médaille Ampère 2012
Berges2009_Hauet.pdf
Prix Bergès 2009

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  Le 16 septembre 2013  1    On sait désormais stocker les photons pendant une minute  Jean‐Pierre Hauet  Membre émérite de la SEE    Dans  plusieurs  Flash‐infos  de  la  REE,  nous  avons souligné l’enjeu qui s’attache à la mise  au  point  d’architectures  quantiques  utilisant  les propriétés des qubits, afin notamment de  construire  des  ordinateurs  quantiques  dotés  de  performances  très  supérieures  aux  machines actuelles fondées sur le maniement  de bits conventionnels.  Dans le numéro 2013‐3 de la REE, nous avons  présenté les progrès réalisés dans l’intrication  spin‐photon  qui  pourrait  constituer  une  première  étape  dans  la  réalisation  d’architectures  extensibles  d’ordinateurs  quantiques reposant sur  un réseau  de boites  quantiques  (quantum  dots)  où  se  feraient  certaines  opérations  élémentaires  sur  les  qubits et sur des photons intriqués assurant la  transmission  de  l’intrication  entre  les  différents  nœuds  du  réseau  de  boîtes  quantiques.  Ces schémas reposent sur le fait que le photon  peut  voyager  sur  de  relativement  longues  distantes sans interagir significativement avec  son  environnement.  On  peut  ainsi  envisager  de  transmettre,  pour  des  applications  cryptographiques, des photons intriqués avec  d’autres qubits sur des distances très grandes  dans des fibres optiques. Cependant, il restera  nécessaire  de  développer  des  répéteurs  quantiques  capables  de  stocker  les  états  quantiques  des  photons  et  de  les  restituer  après  amplification  sans  altération  des  propriétés  d’intrication  de  ces  photons.  Se  pose  alors  la  question  du  développement  de  mémoires  quantiques.  Que  ce  soit  à  longue  distance ou à courte distance, la mise au point  de  mémoires  quantiques  est  un  élément  clé  du  développement  de  toute  architecture  quantique.  On sait depuis quelques années construire en  laboratoire  des  dispositifs  de  mémoires  quantiques  fonctionnant  en  milieu  gazeux.  Plusieurs dispositifs utilisant des phénomènes  d’optique non linéaire ont été proposés pour  ralentir  la  lumière  voire  l’arrêter  complètement pendant une durée très courte.  L’inconvénient des dispositifs « classiques » de  ralentissement  de  la  lumière  est  le  fort  taux  d’absorption qu’ils entraînent.  A  partir  de  2001,  des  expériences  ont  été  menées en utilisant le phénomène optique de  transparence induite électromagnétiquement  (TIE). La TIE est un phénomène optique non‐ linéaire  qui  apparait  lorsqu’un  milieu  excité  par  pompage  optique  reçoit  un  faisceau  sonde. Il suppose que le milieu présente trois  états    possibles,  par  exemple  deux  états  de  base g  et s  et un état excité  e , tels que   référencés dans la figure 1.     Figure  1 :  Niveaux  d’énergie  dans  un  milieu  donnant  naissant à transparence induite électromagnétiquement.  L’état  excité  peut  être  atteint  par  des  transitions optiques autorisées. Parmi celles‐ci  figure  la  transition  directe  s e   et  la  transition  indirecte   s e g e .      2    Ces transitions, sous certaines conditions, ont  la  même  probabilité  mais  des  amplitudes  de  probabilité  de  phases  opposées.  Elles  interfèrent  destructivement  sous  l’effet  du  faisceau de  pompe  et  donne  naissance, dans  le  spectre  d’absorption  du  faisceau  sonde,  à  une  fenêtre  de  transparence  lorsque  le  faisceau  de  pompe  (ou  faisceau  de  contrôle)  est activé (figure 2).     Figure 2 : Spectre d'absorption de la TIE. En rouge avec le  faisceau de pompe et en bleu sans ce dernier. Source :  Wikipedia.  Dans cette fenêtre, la probabilité de transition  entre  l’un  des  deux  états  de  base  et  l’état  excité  s’évanouit  et  donc  l’absorption  de  la  fréquence  correspondante.  Mais  le  changement  dans  l’absorption  entraîne  un  changement extrêmement brutal dans l’indice  de  réfraction  qui  réduit  la  vitesse  des  pulses  de lumière entrant, au point de l’annuler. En  annulant  le  faisceau  de  pompe  quand  la  lumière  de  la  sonde  est  dans  le  milieu,  l’énergie  des  photons  est  convertie  en  excitation de spin des atomes (appelée vagues  de  spin)  qui  peut  être  conservée  aussi  longtemps que la cohérence entre les états de  spins peut survivre. En rétablissant le faisceau  de  contrôle,  on  « libère »  la  lumière  qui  est  restituée  avec  ses  propriétés  quantiques  (figure 3).    Figure 3 : Dans le système à vapeur de césium, un pulse  laser du faisceau de pompe (en bleu) amène le système  dans un état où il arrête la lumière. Le signal porté par  un deuxième faisceau laser (en rouge) est stoppé et le  photon est converti en ondes de spin dans le matériau.  Un  deuxième  pulse  laser  rétablit  la  transparence  et  le  photon  est  réémis.  Source :  Ian  Walmsley  &  Al  –  University of Oxford.  La  durée  pendant  laquelle  les  photons  peuvent  être  stockés  dépend  de  la  durée  pendant  laquelle  peut  être  maintenue  la  cohérence  des  états  de  spin  dans  le  milieu  atomique.  Cette  durée  est  fonction  des  interactions  entre  les  atomes  et  leur  environnement.  Dans  un  premier  temps,  les  durées  de  stockage  des  photons  ont  été  limitées  à  quelques  μs.  En  2011,  une  équipe  anglaise,  animée  par  Ian  Walmsley  de  l’université  d’Oxford,  a  proposé  un  système  fonctionnant  à  température  ambiante  et  utilisant  un  nuage  de  vapeur  de  césium,  matériau utilisé dans les horloges atomiques.  Au  début  de  l’année  2013,  une  équipe  du  Georgia Institute of Technology a obtenu des  temps  de  stockage  de  16  s  en  plaçant  les  atomes dans un réseau optique limitant leurs  mouvements et donc leur interaction avec le  milieu environnant.  L’expérience relatée en juillet 2013 par Georg  Heinz, Christian Hubrich et Thomas Halfmann,  de  l’université  de  Darmstadt  (Phys.  Rev.  Lett.  111,  2013),  apporte  des  éléments  nouveaux  dans plusieurs direction. Elle utilise un milieu  solide,  en  l’occurrence  un  cristal  de  silicate  d’yttrium doté au praséodyme, Pr3+  : Y2SiO5. Il  est clair que l’utilisation d’un milieu solide se  prête mieux, a priori, à de futures applications  industrielles.  Par  ailleurs,  ce  milieu  présente  des  temps  de  relaxation  de  l’état  excité  (T1)  d’environ  100  s,  ce  qui  est  assez  long.  Ce  temps  de  relaxation  constitue  la  limite      3    physique  de  la  durée  T2  pendant  laquelle  la  cohérence  des  états  de  spin  peut  être  maintenue.  Mais  amener  T2  proche  de  T1  posait  de  difficile  problèmes  technologiques  que l’université de Darmstadt est parvenue à  surmonter  en  contrebalançant  les  divers  facteurs  de  décohérence  par  des  champs  magnétiques  ajustés  en  tenant  compte  de  la  jungle  hyperfine  des  états  d’énergie  des  atomes.  In  fine,  les  chercheurs  de  Darmstadt  sont  parvenus  à  stocker  la  lumière  pendant  une  période d’une minute environ, avec, il est vrai,  un  rendement  très  faible  (de  l’ordre  de  0.05  %).  La  mémoire  étant  spatialement  multimode, les chercheurs ont pu stocker une  image constituée de trois bandes horizontales  de  100  μm  chacune,  pendant  une  minute  (figure 4).    Figure 4 : Récupération d’une image constituée de trois  bandes après un stockage de durée variable. Source : G.  Heinze & al – Darmstadt university 2013.  Ces  résultats  sont  très  encourageants  et  illustrent la dynamique de la recherche dans le  monde sur le développement de composants  et  d’architectures  quantiques.  Ils  constituent  un bel  exemple de la  possibilité de contrôler  les processus de décohérence et d’interaction  entre les photons et la matière.                        Cependant,  de  grosses  difficultés  restent  à  surmonter  avant  de  pouvoir  envisager  de  construire  un  Internet  quantique  avec  des  routeurs capables de stocker puis de restituer  des  paquets  de  photons.  Il  faut  tout  d’abord  être capable de traiter les photons un par un  et donc réduire suffisamment le bruit créé par  les méthodes utilisées pour accroître la durée  de cohérence T2. Il faut trouver des sources de  lumière quantique très fines compatibles avec  la TIE (largeur de bande < 1 MHz). Il faut enfin  accroître  considérablement  le  rendement  du  stockage  et  permettre  le  fonctionnement  à  température ambiante.  De  nouveaux  matériaux  semblent  constituer  de  bons  candidats  pour  permettre  un  allongement  très  important  du  temps  de  stockage.  Le  silicate  d’yttrium  doté  à  l’europium,  Eu3+  :  Y2SiO5,  offre  une  durée  de  vie  des  états  de  spin  de  plusieurs  jours  et  pourrait permettre d’atteindre des durées de  stockage de 10 minutes.      Jean‐Pierre Hauet