la rencontre des atomes froids et de la nanophotonique

ARR ˆ ETER LA LUMI ` ERE DANS UNE FIBRE:
LA RENCONTRE DES ATOMES FROIDS ET DE LA NANOPHOTONIQUE
Julien Laurat
Laboratoire Kastler Brossel, UPMC-Sorbonne Universit´ es, CNRS, ENS-PSL Research University,
Coll` ege de France, 4 Place Jussieu, 75005 Paris, France
[email protected]
R´ ESUM ´ E
La combinaison des atomes froids et de la nanophotonique permet de r´ ealiser de nouvelles
interfaces lumi` ere-mati` ere pour l’information quantique.
MOTS-CLEFS :information quantique; m´ emoire; atomes froids; nanophotonique.
Les interfaces lumi` ere-mati` ere constituent des outils importants pour l’optique quantique et les
r´ eseaux quantiques de communication [1]. Dans ce contexte, mon ´ equipe de recherche au Laboratoire
Kastler Brossel s’int´ eresse au d´ eveloppement de telles interfaces reposant sur des ensembles d’atomes
froids. Un exemple d’application est la r´ ealisation de m´ emoires quantiques permettant ` a la lumi` ere et
`
a la mati` ere d’´ echanger leurs ´ etats ` a la demande. En espace libre, nous avons ainsi cr´ e´ e une m´ emoire
permettant le stockage de bits quantiques encod´ es dans le moment orbital angulaire de la lumi` ere, c’est-
`
a-dire dans l’h´ elicit´ e du front d’onde [2]. En faisant fonctionner deux m´ emoires quantiques en parall` ele,
nous avons ensuite stock´ e des bits encod´ es par la structuration de la lumi` ere dans le plan transverse,
non seulement en phase mais aussi en polarisation, r´ ealisant ainsi une m´ emoire quantique pour plusieurs
degr´ es de libert´ e simultan´ ement [3]. Dans cet expos´ e, je pr´ esenterai une nouvelle interface reposant sur
une nanofibre optique au diam` etre sub-longueur d’onde et coupl´ ee ` a un ensemble d’atomes froids pi´ eg´ es
`
a proximit´ e.
Combiner atomes froids et nanophotonique apparaˆ ıt comme une alternative prometteuse pour
r´ ealiser de nouvelles interfaces lumi` ere-mati` ere. Le fort confinement de la lumi` ere permet non seulement
une interaction sur une distance qui n’est plus limit´ ee par la diffraction, mais ´ egalement une interaction
atome-photon exalt´ ee et la possibilit´ e d’interaction non-lin´ eaire ` a des puissances optiques tr` es faibles.
400nm
signal
control
↵
|gi
|ei
|si
signal control
SEM
Reference
Memory
0
200
400
600
800
0
2
4
6
8
Time !ns"
Detection events !a.u."
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0
2
4
6
8
10
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Storage time !Μs"
Normalized Η
(a)
(b)
(c)
FIGURE 1 : Arrˆ eter la lumi` ere dans une fibre optique. Des atomes froids sont pi´ eg´ es au voisinage d’une fibre
optique qui a ´ et´ e´ etir´ ee dans une r´ egion de quelques centim` etres. En arrivant dans cette zone, la lumi` ere guid´ ee
est ralentie et l’information qu’elle porte est transf´ er´ ee aux atomes. Plus tard, ` a la demande, la lumi` ere est r´ e´ emise
dans la fibre et peut se propager ` a nouveau. (a) Une fibre de 400 nm de diam` etre est superpos´ ee ` a un large ensemble
d’atomes froids. Un champ dit de contrˆ ole permet de modifier la propagation de la lumi` ere guid´ ee. (b) Stockage et
relecture. (c) Temps de vie de la m´ emoire.
Session plénière 3
OPTIQUE 201513

Par exemple, un guide d’onde avec une dimension plus petite que la longueur d’onde fournit un large
champ ´ evanescent qui peut ˆ etre utilis´ e pour interagir avec des atomes ` a proximit´ e ou pour les pi´ eger ` a
l’aide d’un pi` ege dipolaire. La surface effective du mode ´ etant proche de la section efficace d’absorption,
un atome unique peut absorber une fraction non n´ egligeable de la lumi` ere guid´ ee et fournir ainsi un fort
couplage lumi` ere-mati` ere en un seul passage.
En utilisant une telle approche, nous avons r´ eussi ` a int´ egrer une m´ emoire quantique directement
dans une fibre optique (figure 1) [4]. Pour cela, une fibre optique commerciale similaire ` a celles uti-
lis´ ees dans les r´ eseaux de t´ el´ ecommunication a ´ et´ e chauff´ ee et ´ etir´ ee jusqu’` a moins de 400 nanom` etres
de diam` etre et ce, sur quelques centim` etres. Nous avons ensuite refroidi des atomes de c´ esium dispos´ es
proches de cette zone ´ etir´ ee. Lorsque la lumi` ere atteint cette r´ egion, une grande partie de l’´ energie circule
autour de la fibre et elle peut alors interagir avec les atomes environnants. En utilisant la technique dite de
transparence induite ´ electromagn´ etiquement qui permet de contrˆ oler les propri´ et´ es du milieu atomique
par un laser additionnel, la lumi` ere a ´ et´ e ralentie par un facteur 3 000 puis totalement arrˆ et´ ee. Cette im-
pulsion lumineuse a ´ et´ e stopp´ ee pendant plusieurs microsecondes puis ´ emise de nouveau dans la fibre.
Sans cet arrˆ et impos´ e, la lumi` ere aurait parcouru dans le mˆ eme temps plusieurs kilom` etres ! L’informa-
tion port´ ee par la lumi` ere est transf´ er´ ee aux atomes sous la forme d’une excitation collective, une large
superposition quantique. En raison du fort confinement de la lumi` ere, quelques milliers d’atomes suf-
fisent pour obtenir de fort ralentissement, alors que des millions ´ etaient n´ ecessaires dans les exp´ eriences
en espace libre. Nous avons ´ egalement montr´ e que des impulsions lumineuses contenant un seul photon
pouvaient ˆ etre stock´ ees et r´ e´ emises avec un large rapport signal sur bruit. Au del` a des m´ emoires quan-
tiques, ce syst` eme peut aussi ˆ etre utilis´ e comme source de photons uniques intrins` equement fibr´ es.
Je montrerai ´ egalement comment le pi´ egeage d’atomes froids autour de la nanofibre permet de
r´ ealiser un miroir de Bragg efficace [5]. En r´ ealisant un r´ eseau optique dans le champ ´ evanescent, avec
une distance entre les atomes proches de la longueur d’onde de la transition atomique, nous avons pu
d´ emontrer des r´ eflectivit´ es sup´ erieures ` a 75% avec seulement quelques milliers d’atomes (figure 2). La
possibilit´ e de contrˆ oler le transport de photon unique dans ce type de syst` eme est ` a la base de nombreuses
propositions dans ce domaine ´ emergent dit de l’´ electrodynamique quantique en guide d’onde (waveguide
quantum electrodynamics).
Je terminerai cet expos´ e en discutant les perspectives du domaine, en particulier l’apport possible
des cristaux photoniques ` a cette nouvelle direction de recherche.
x
z
y
d
(a)
(c) (d)
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
R, T
R
T
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
R, T
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
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R, T
6040200
-20-40
Detuning [MHz]
R
T
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0.6
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R, T
6040200
-20-40
Detuning [MHz]
(b)
(a)
(c) (d)
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0.4
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R, T
R
T
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R, T
1.0
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R, T
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-20-40
Detuning [MHz]
R
T
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0.6
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0.2
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R, T
6040200
-20-40
Detuning [MHz]
(b)
FIGURE 2 : Miroir de Bragg atomique. Les atomes pi´ eg´ es ` a proximit´ e de la nanofibre peuvent ´ emettre en espace
libre ou dans le mode guid´ e. Chaque atome se comporte alors comme un miroir avec une faible r´ efl´ ectivit´ e pour la
lumi` ere se propageant dans la nanofibre. Lorsque la distance entre les atomes est tr` es proche de la longueur d’onde
de la transition atomique, l’interf´ erence entre ces r´ eflexions peut conduire ` a une forte r´ eflexion de Bragg. Dans
notre cas, 2000 atomes seulement permettent d’obtenir une r´ eflexion Rproche de 75%. Le trac´ e donne les spectres
de r´ eflexion et de transmission en fonction du d´ esaccord ` a la r´ esonance du champ sonde.
Session plénière 3
OPTIQUE 2015 14

R´ EF ´ ERENCES
[1] J. Laurat et T. Chaneli` ere, “La m´ emoire, pilier du r´ eseau quantique,” in La Recherche, Les R´ evolutions
quantiques, juillet 2015.
[2] A. Nicolas et al., “A quantum memory for orbital angular momentum photonic qubits,” Nature Photon. 8,
234 (2014).
[3] V. Parigi et al., “Storage and retrieval of vector beams of light in a multiple-degree-of-freedom quantum
memory,” Nature Commun. 6, 7706 (2015).
[4] B. Gouraud, D. Maxein, A. Nicolas, O. Morin, J. Laurat “Demonstration of a memory for tightly guided
light in an optical nanofiber,” Phys. Rev. Lett 115, 023602 (2015).
[5] N.V. Corzo, B. Gouraud, A. Chandra, A. Goban, A.S. Sheremet, D.V. Kupriyanov, J. Laurat “Large Bragg
reflection from one-dimensional chains of trapped atoms near a nanoscale waveguide,” arXiv :1604.03129.
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