Feasibility of a quantum memory for continuous variables based on trapped ions

We propose to use a large cloud of cold trapped ions as a medium for quantum optics and quantum information experiments. Contrary to most recent realizations of qubit manipulation based on a small number of trapped and cooled ions, we study the case of traps containing a macroscopic number of ions. We consider in particular the implementation of a quantum memory for quantum information stored in continuous variables and study the impact of the relevant physical parameters on the expected performances of the system.Comment: v2, typos correcte

Absolute Single Ion Thermometry

We describe and experimentally implement a single-ion local thermometry technique with absolute sensitivity adaptable to all laser-cooled atomic ion species. The technique is based on the velocity-dependent spectral shape of a quasi-dark resonance tailored in a J $\rightarrow$ J transition such that the two driving fields can be derived from the same laser source leading to a negligible relative phase shift. We validated the method and tested its performances in an experiment on a single 88 Sr + ion cooled in a surface radio-frequency trap. We first applied the technique to characterise the heating-rate of the surface trap. We then measured the stationary temperature of the ion as a function of cooling laser detuning in the Doppler regime. The results agree with theoretical calculations, with an absolute error smaller than 100 $\mu$K at 500 $\mu$K, in a temperature range between 0.5 and 3 mK and in the absence of adjustable parameters. This simple-to-implement and reliable method opens the way to fast absolute measurements of single-ion temperatures in future experiments dealing with heat transport in ion chains or thermodynamics at the single-ion level

Strong quantum correlations in four wave mixing in 85^{85}Rb vapor

We study quantum intensity correlations produced using four-wave mixing in a room-temperature rubidium vapor cell. An extensive study of the effect of the various parameters allows us to observe very large amounts of non classical correlations.Comment: 8 pages and 8 figures; work presented at the SPIE Photonics Europe conference (Brussels, 2010

Isotope shifts of natural Sr+ measured by laser fluorescence in a sympathetically cooled Coulomb crystal

We measured by laser spectroscopy the isotope shifts between naturally-occurring even-isotopes of strontium ions for both the 5s\,\,^2S_{1/2}\to 5p\,\,^2P_{1/2} (violet) and the 4d\,\,^2D_{3/2}\to 5p\,\,^2P_{1/2} (infrared) dipole-allowed optical transitions. Fluorescence spectra were taken by simultaneous measurements on a two-component Coulomb crystal in a linear Paul trap containing $10^3$--$10^4$ laser-cooled Sr$^+$ ions. The isotope shifts are extracted from the experimental spectra by fitting the data with the analytical solution of the optical Bloch equations describing a three-level atom in interaction with two laser beams. This technique allowed us to increase the precision with respect to previously reported data obtained by optogalvanic spectroscopy or fast atomic-beam techniques. The results for the 5s\,\,^2S_{1/2}\to 5p\,\,^2P_{1/2} transition are $\nu_{88}-\nu_{84}=+378(4)$ MHz and $\nu_{88}-\nu_{86}=+170(3)$ MHz, in agreement with previously reported measurements. In the case of the previously unexplored 4d\,\,^2D_{3/2}\to 5p\,\,^2P_{1/2} transition we find $\nu_{88}-\nu_{84}=-828(4)$ MHz and $\nu_{88}-\nu_{86}=-402(2)$ MHz. These results provide more data for stringent tests of theoretical calculations of the isotope shifts of alkali-metal-like atoms. Moreover, they simplify the identification and the addressing of Sr$^+$ isotopes for ion frequency standards or quantum-information-processing applications in the case of multi-isotope ion strings.Comment: 19 pages; 5 figures; accepted on Phys. Rev. A (http://pra.aps.org/

Atomes froids piégés dans un réseau lumineux : étude par spectroscopie pompe-sonde

Parmi les mécanismes de refroidissements d'atomes par laser, l'effet Sisyphe conduit à une situation où les atomes sont localisés aux minima d'un potentiel périodique induit par la lumière. Il est ainsi possible de créer un "cristal" optique dont les caractéristiques sont déterminées par la géométrie des faisceaux lasers. Cette thèse propose une étude expérimentale de la dynamique d'atomes alcalins (cesium, rubidium) piégés dans un réseau de lumière tridimensionnel, par une méthode de spectroscopie pompe-sonde. La localisation des atomes dans des puits de potentiels à l'échelle d'une fraction de longueur d'onde optique est démontrée par l'observation de résonances Raman stimulées entre niveaux de vibration quantiques. Ce type de résonance a également révélé le comportement paramagnétique d'un tel réseau. Un effet nouveau de propagation d'ondes de densité dans le réseau conduit à une diffusion de type Brillouin stimulée qui présente l'originalité de ne pas faire intervenir d'interaction entre les particules diffusantes. La diffusion Rayleigh stimulée donne accès à la diffusion spatiales des atomes dans le réseau. Une étude détaillée des résonances Rayleigh démontre également l'importance de la pression de radiation qu'exerce la lumière sur les atomes, mettant en évidence un effet analogue à l'effet photoréfractif observé dans des cristaux de BaTiO3 ou LiNbO3

Light-matter interaction with atomic ensembles

L'étude de l'intéraction lumière matière avec des ensembles atomiques est un domaine de recherche actif. Ce type de système permet des études fondamentales sur la mesure dans le contexte de variables continues, l'intrication collective, et les simulations quantiques. Ce domaine de recherche est également intéressant dans le contexte de la métrologie quantique, la communication quantique et l'informatique quantique. Dans cette thèse, deux aspects complémentaires de l'intéraction lumière matière avec des ensembles atomiques ont été étudiés avec des ions piégés et des atomes neutres refroidis par laser.L'expérience basée sur les ions piégés a pour but d'évaluer la possibilité d'utiliser de grands nuages d'ions afin d'obtenir une mémoire quantique possédant un long temps de cohérence. La forte répulsion de Coulomb entre les ions les place dans un état crystallin permettant de réduire les phénomènes de décohérence. L'interaction entre la lumière et la matière dans un grand crystal de Coulomb a été mesuré et les limitations d'un tel système sont discutées. L'expérience atomes froids s'est concentrée sur l'utilisation de mesures non destructives pour détecter les états non gaussiens atomiques. Ces états sont une ressource importante pour nombre de protocoles quantiques en régime de variables continues. Cette expérience est semblable aux expériences de communication quantique qui sont actuellement menées. Le travail présenté dans cette thèse se concentre sur la détection des états non gaussiens dans des ensembles atomiques en utilisant les cumulants, et en particulier le bruit associé à la mesure des cumulants.The study of quantum light-matter interaction with atomic ensembles is an active research area. This kind of system allows fundamental studies on measurement in the context of continuous variables, in collective entanglement and in quantum simulations. This field of research is also interesting in the context of quantum metrology, quantum networking and quantum computation. In this thesis two complementary aspects of light matter interaction with atomic ensembles have been studied with trapped ions and cold neutral atoms.The trapped ion experiment is intended to evaluate the possibility to use large ion clouds for realizing a quantum memory with long coherence times. Laser cooled trapped ions can reach a crystalline phase due to the strong Coulomb repulsion between ions. In this phase the relative positions between the ions is fixed avoidingseveral sources of coherence loss. The light matter interaction in a large Coulomb crystal have been measured, and the possible limitations of such system are discussed.The cold atom experiment focused on the use of quantum non demolition measurements to evaluate non-Gaussian statesin the context of an experiment similar to quantum networking experiment currently planned.Non Gaussian atomic states are a resource for quantum computation and quantum communication, in the context of atomic physics experiments, their detection can be difficult. The work presented in this thesis focuses on the detection of non Gaussian states in atomic ensembles using cumulants, and in particular their noise properties.PARIS7-Bibliothèque centrale (751132105) / SudocSudocFranceF

Longitudianl focusing of an atomic cloud using pulsed magnetic forces

International audienc

Comment parler de sciences aux jeunes

Le 1er février 2016 s’est tenue à la préfecture de Paris et d’Île-de-France (5, rue Leblanc, Paris, 15e) la troisième journée Sciences et médias. Ces journées sont organisées tous les deux ans par des sociétés savantes scientifiques. Se sont associées cette année la Société Chimique de France (SCF), la Société Française de Physique (SFP), la Société Française de Statistique (SFdS), la Société Informatique de France (SIF), la Société de Mathématiques Appliquées et Industrielles (SMAI) et la Société Mathématique de France (SMF). Le but de ces journées est de participer à la réflexion sur la façon dont les médias traitent les questions scientifiques