Mémoires quantiques : vers une conversion micro-onde / optique efficace

Pour optimiser une mémoire quantique qui permet de stocker l’information portée par la lumière, il est particulièrement intéressant d’utiliser des matériaux dans lesquels des états quantiquesEn physique classique, l'état du système détermine de manière absolue les résultats de mesure des grandeurs physiques. Impossible en physique quantique où la connaissance de l'état permet seulement de prévoir, de façon toutefois parfaitement reproductible, les probabilités respectives des différents résultats possibles. optiques de longue durée de vie peuvent être observés.  C’est le cas pour certains cristaux dopés par des ions de terres rares qui peuvent stocker l’information quantique optique, et ainsi permettre de la propager rapidement et sur de très grandes distances, puisqu’elle est sous forme optique. Cependant, l’information n’est pas toujours portée par la lumière : certains circuits supraconducteurs fonctionnent par exemple dans un régime micro-ondes. Pour pouvoir faire circuler cette information rapidement et sur de longues distances, il est nécessaire de convertir, au niveau quantique, ces signaux micro-ondes en signaux optiques.

C’est dans ce contexte qu’une équipe de l’Institut de recherche de chimie Paris (CNRS/Chimie ParisTech/PSL Université), en collaboration avec des équipes américaine (Université du Montana), canadienne (Université de Calgary) et néo-zélandaises (Université de Canterbury et d’Otago), s’est intéressée à de nouvelles interfaces optique / micro-onde. Pour cela, les scientifiques ont utilisé un cristal d’orthosilicate d’yttrium (Y₂SiO₅) dopé par des ions Er³⁺, déjà utilisés dans le domaine des télécommunications par fibre optique, et connus pour être susceptibles d’interagir avec des micro-ondes. Des mesures de spectroscopie optique et magnétique à très haute résolution montrent que cette combinaison peut induire une conversion très efficace micro-onde / optique.

Ces résultats ainsi que des calculs menés sur les niveaux d’énergie des ions Er³⁺ ouvrent la voie à de nouveaux développements dans les technologies quantiques utilisant ce type de matériaux, aussi bien dans le domaine optique que micro-onde.

Références

S. Welinski, P. J. T. Woodburn, N. Lauk, R. L. Cone, C. Simon, P. Goldner, and C. W. Thiel
"Electron Spin Coherence in Optically Excited States of Rare-Earth Ions for Microwave to Optical Quantum Transducers"
Physical Review Letters 122, 247401 (2019)
DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.247401

S. P. Horvath, J. V. Rakonjac, Y.-H. Chen, J. J. Longdell, P. Goldner, J.-P. R. Wells, and M. F. Reid,
"A comprehensive understanding of ground and optically-excited hyperfine structure of 167Er3+:Y2SiO5"
Physical Review Letters à paraître.
https://arxiv.org/abs/1809.01058