Spins dans des systèmes solides pour la métrologie et l'information quantique – SMEQUI

Ce projet est dévoué à l’échange longue distance de paquets de quantas antre photons et atomes. Pource faire nous allons utiliser la possibilité offertes par les centres NV d’être « scalables » pour démontrer l’intrication et la diffusion de la lumière par plusieurs de leurs spins électroniques en utilisant des protocoles qui améliorent l’efficacité de mise en réseau entre des centres NV distants grâce à un microscope de forte ouverture numérique dans un cryostat à basse température.

Nous allons nous intéressé à l’absorption et au déphasage induits sur un photon unique par un ou plusieurs centres colorés uniques. Réaliser un tel couplage déterministe entre la lumière et les atomes donnera un outil unique pour évaluer des effets de cavité avec un atome unique qui jouerait le rôle de miroir, ou une technique nouvelle de lecture non-destructive de l’état de spin du centre NV en conjonction avec des mesure de stabilité de la transition ESR. Cette dernière mesure sera faite avec des centres SiV.

Nous avons désigné un nouveau cryostat avec un objectif de forte ouverture numérique qui sera livré dans quelques mois et observés la luminescence de centres SiV dans des nano-diamants.

Notre projet SMEQUI va contribuer à résoudre les problèmes qui se posent pour les technologies quantiques et s’intéresse à des problèmes importants et « au goût du jour » comme la mise en œuvre des composants basiques des réseaux de communication quantiques , l’étude des interactions lumière-matière dans l'état solide et la réponse à des questions fondamentales d’optique quantique.

1. Light shift modulated photon echoes. T. Chanelière et G. Hétet, Optics Letters 40(7) 1294-1297 (2015)

2. Spin wave Diffraction Control and Read-out with a Quantum Memory for Light G. Hétet et D. Guery-Odelin, A paraître dans New Journal of Physics (2015).

Ces vingt dernières années, des progrès remarquables ont été accomplis pour contrôler des systèmes quantiques et les isoler de leurs environnements. Beaucoup d’efforts ont notamment été fournis dans cette direction avec des atomes froids piégés. Parmi les plus récentes démonstrations expérimentales, peuvent être mentionnés : l’intrication entre 14 ions, leur utilisation comme simulateurs quantiques , la génération d’intrication à longue distance entre deux atomes, la réalisation d’horloges atomiques ultra-stables et l’observation d’effets nouveaux de l’électrodynamique quantique. Inspirés par ces développements, les recherches menées sur les centres colorés du diamant atteignent un degré de contrôle sans précédents qui va certainement permettre de réaliser la plupart de ces expériences à l’état solide prochainement.

Nous avons pour objectif de transférer les connaissances développées ces dernières années dans le domaine des atomes froids vers les centres NV du diamant, avec pour but de rendre la recherche sur les centres NV capable d’effectuer des expériences d’électrodynamique quantique et de métrologie et des opérations nécessaires pour la communication quantique dans l'état solide.

Une première partie de cette proposition de recherche est centrée sur ce que l’on pourrait appeler la « métrologie quantique » dans l'état solide. Nous utiliserons des centres NV du diamant pour mener des expériences originales avec pour but d’observer les effets du vide quantique telles que la modification de l’émission spontanée, du déplacement de Lamb, ou de la constante de Rabi du vide avec une seule condition aux limites. Nous allons aussi mesurer la super-radiance et le déplacement de Lamb collectif avec un ou plusieurs centres NV bien localisés au sein d’une même matrice ou entre des centres NV localisés dans deux cristaux différents. Une amélioration de la précision de la transition micro-onde pour la métrologie sera également étudiée. Bien que les horloges à atomes froids soient déjà utilisées pour la communication satellite, la communication haut-débit sans fil et pour d’autres techniques de navigation, les atomes artificiels à l’état solide doivent également être étudiés car ils peuvent grandement simplifier leur fonctionnalité.

La deuxième partie du projet est dévouée à l’échange longue distance de paquets de quantas antre photons et atomes. Nous allons utiliser la possibilité offertes par les centres NV d’être « scalables » pour démontrer l’intrication et la diffusion de la lumière par plusieurs de leurs spins électroniques en utilisant des protocoles qui améliorent l’efficacité de mise en réseau entre des centres NV distants. Nous allons également nous intéressé à l’absorption et au déphasage induits sur un photon unique par un ou plusieurs centres NV uniques. Réaliser un tel couplage déterministe entre la lumière et les atomes donnera un outil unique pour évaluer des effets de cavité avec un atome unique qui jouerait le rôle de miroir, ou une technique nouvelle de lecture non-destructive de l’état de spin du centre NV.

Nous envisageons enfin d’utiliser l’extensibilité offerte par la technique de dopage des centres NV uniques pour augmenter l’interaction avec la lumière. Plusieurs centre NV seront à cet effet insérés à des endroits précis dans le réseau du diamant. La constante de couplage collective vers un mode de la lumière va alors multiplier l’efficacité des expériences de métrologie et de communication quantique du projet et ouvrira des perspectives nouvelles pour des simulations quantiques efficaces et pour le stockage de la lumière.

Notre projet SMEQUI va contribuer à résoudre les problèmes qui se posent pour les technologies quantiques et s’intéresse à des problèmes importants et « au goût du jour » comme la mise en œuvre des composants basiques des réseaux de communication quantiques , l’étude des interactions lumière-matière dans l'état solide et la réponse à des questions fondamentales d’optique quantique.