Securing coherence rephasing with a pair of adiabatic rapid passages

Coherence rephasing is an essential step in quantum storage protocols that use echo-based strategies. We present a thorough analysis on how two adiabatic rapid passages (ARP) are able to rephase atomic coherences in an inhomogeneously broadened ensemble. We consider both the cases of optical and spin coherences, rephased by optical or radio-frequency (rf) ARPs, respectively. We show how a rephasing sequence consisting of two ARPs in a double-echo scheme is equivalent to the identity operator (any state can be recovered), as long as certain conditions are fulfilled. Our mathematical treatment of the ARPs leads to a very simple geometrical interpretation within the Bloch sphere that permits a visual comprehension of the rephasing process. We also identify the conditions that ensure the rephasing, finding that the phase of the optical or rf ARP fields plays a key role in the capability of the sequence to preserve the phase of the superposition state. This settles a difference between optical and rf ARPs, since field phase control is not readily guaranteed in the former case. We also provide a quantitative comparison between $\pi$-pulse and ARP rephasing efficiencies, showing the superiority of the latter. We experimentally verify the conclusions of our analysis through rf ARP rephasing sequencies performed on the rare-earth ion-doped crystal Tm$^{3+}$:YAG, of interest in quantum memories.Comment: 24 pages, 7 figure

Ralentir le déphasage des états de superposition atomiques dans un cristal de Tm3+ (YAG)

Ce travail se place dans le contexte des recherches sur les mémoires quantiques pour la lumière. L information quantique est stockée dans un état de superposition atomique, dont la durée de vie détermine le temps maximum de stockage.On s intéresse particulièrement aux matériaux capables de capturer la lumière par excitation résonnante d une raie d absorption, puis de conserver l information quantique dans un état de superposition du fondamental électronique.Dans Tm3+:YAG, l information est enregistrée dans un état de spin nucléaire. Cependant le champ magnétique qui lève la dégénérescence nucléaire entraîne les différents spins à des vitesses de précession différentes, ce qui tend à détruire l aimantation initiale, porteuse de l information.Une étude quantique du cristal est réalisée lors du premier chapitre de ce manuscrit. Les trois chapitres suivants traitent des différents mécanismes conduisant au déphasage des spins nucléaires. On y trouvera différente analyses théoriques qui seront confirmées par un ensemble de résultats expérimentaux, ainsi qu une description détaillée du dispositif expérimental. Enfin le dernier chapitre, prospectif, exploite les outils développés au cours de la thèse pour préserver les cohérences optiques. Il présente quelques résultats expérimentaux prometteurs sur l allongement du temps de vie de ces cohérences optiques.This work takes place in the context of research about quantum memories for light. The quantum information is stored in an atomic superposition state whose lifetime sets the maximum storage time. We are particularly interested in materials which are able to hold the light by resonant excitation of an absorption line, preserving the quantum information in a superposition state of the electronicfundamental.n Tm3+:YAG the information is stored in a nuclear spin state. However, the magnetic field which lifts the nuclear degeneracy generates different precession speeds of the spins. This destroys theinitial magnetization carrier of the information.In the first chapter of this thesis, a quantum analysis of the crystal is done. The following three chapters are devoted to different mechanisms to control the nuclear spins dephasing. There it ispossible to find different theoretical analysis which will be confirmed by a series of experimental measurements, including an extended description of the set-up. Finally, the last chapter presentsthe different techniques used to preserve the optical coherence. Promising experimental measurements are presented to extend the life time of the optical coherences.PARIS11-SCD-Bib. électronique (914719901) / SudocSudocFranceF

Adiabatic passage with spin locking in Tm3+:YAG

International audienceIn low-concentration Tm 3+ :YAG, we observe efficient adiabatic rapid passage (ARP) of thulium nuclear spin over flipping times much longer than T 2. Efficient ARP with long flipping time has been observed in monoatomic solids for decades and has been analyzed in terms of spin temperature and of the thermodynamic equilibrium of a coupled spin ensemble. In low-concentration impurity-doped crystals the spin temperature concept may be questioned. A single spin model should be preferred since the impurity ions are weakly coupled together but interact with the numerous off-resonant matrix ions that originate the spin-spin relaxation. The experiment takes place in the context of quantum information investigation, involving impurity-doped crystals, spin hyperpolarization by optical pumping, and optical detection of the spin evolution

Slow down dephasing of atomic superposition states in a Tm3+ : YAG crystal

Ce travail se place dans le contexte des recherches sur les mémoires quantiques pour la lumière. L’information quantique est stockée dans un état de superposition atomique, dont la durée de vie détermine le temps maximum de stockage.On s’intéresse particulièrement aux matériaux capables de capturer la lumière par excitation résonnante d’une raie d’absorption, puis de conserver l’information quantique dans un état de superposition du fondamental électronique.Dans Tm3+:YAG, l’information est enregistrée dans un état de spin nucléaire. Cependant le champ magnétique qui lève la dégénérescence nucléaire entraîne les différents spins à des vitesses de précession différentes, ce qui tend à détruire l’aimantation initiale, porteuse de l’information.Une étude quantique du cristal est réalisée lors du premier chapitre de ce manuscrit. Les trois chapitres suivants traitent des différents mécanismes conduisant au déphasage des spins nucléaires. On y trouvera différente analyses théoriques qui seront confirmées par un ensemble de résultats expérimentaux, ainsi qu’une description détaillée du dispositif expérimental. Enfin le dernier chapitre, prospectif, exploite les outils développés au cours de la thèse pour préserver les cohérences optiques. Il présente quelques résultats expérimentaux prometteurs sur l’allongement du temps de vie de ces cohérences optiques.This work takes place in the context of research about quantum memories for light. The quantum information is stored in an atomic superposition state whose lifetime sets the maximum storage time. We are particularly interested in materials which are able to hold the light by resonant excitation of an absorption line, preserving the quantum information in a superposition state of the electronicfundamental.n Tm3+:YAG the information is stored in a nuclear spin state. However, the magnetic field which lifts the nuclear degeneracy generates different precession speeds of the spins. This destroys theinitial magnetization carrier of the information.In the first chapter of this thesis, a quantum analysis of the crystal is done. The following three chapters are devoted to different mechanisms to control the nuclear spins dephasing. There it ispossible to find different theoretical analysis which will be confirmed by a series of experimental measurements, including an extended description of the set-up. Finally, the last chapter presentsthe different techniques used to preserve the optical coherence. Promising experimental measurements are presented to extend the life time of the optical coherences

Ralentir le déphasage des états de superposition atomiques dans un cristal de Tm3+ : YAG

This work takes place in the context of research about quantum memories for light. The quantum information is stored in an atomic superposition state whose lifetime sets the maximum storage time. We are particularly interested in materials which are able to hold the light by resonant excitation of an absorption line, preserving the quantum information in a superposition state of the electronicfundamental.n Tm3+:YAG the information is stored in a nuclear spin state. However, the magnetic field which lifts the nuclear degeneracy generates different precession speeds of the spins. This destroys theinitial magnetization carrier of the information.In the first chapter of this thesis, a quantum analysis of the crystal is done. The following three chapters are devoted to different mechanisms to control the nuclear spins dephasing. There it ispossible to find different theoretical analysis which will be confirmed by a series of experimental measurements, including an extended description of the set-up. Finally, the last chapter presentsthe different techniques used to preserve the optical coherence. Promising experimental measurements are presented to extend the life time of the optical coherences.Ce travail se place dans le contexte des recherches sur les mémoires quantiques pour la lumière. L’information quantique est stockée dans un état de superposition atomique, dont la durée de vie détermine le temps maximum de stockage.On s’intéresse particulièrement aux matériaux capables de capturer la lumière par excitation résonnante d’une raie d’absorption, puis de conserver l’information quantique dans un état de superposition du fondamental électronique.Dans Tm3+:YAG, l’information est enregistrée dans un état de spin nucléaire. Cependant le champ magnétique qui lève la dégénérescence nucléaire entraîne les différents spins à des vitesses de précession différentes, ce qui tend à détruire l’aimantation initiale, porteuse de l’information.Une étude quantique du cristal est réalisée lors du premier chapitre de ce manuscrit. Les trois chapitres suivants traitent des différents mécanismes conduisant au déphasage des spins nucléaires. On y trouvera différente analyses théoriques qui seront confirmées par un ensemble de résultats expérimentaux, ainsi qu’une description détaillée du dispositif expérimental. Enfin le dernier chapitre, prospectif, exploite les outils développés au cours de la thèse pour préserver les cohérences optiques. Il présente quelques résultats expérimentaux prometteurs sur l’allongement du temps de vie de ces cohérences optiques